Synergistic effects of mechanical reciprocation, biogas scouring, and quorum quenching on membrane fouling mitigation in an Anaerobic Migrating Bed Reactor (AnMBR)

Immaginate una città che tratta le proprie acque reflue e, contemporaneamente, genera combustibile. Questa è la promessa di un tipo specifico di tecnologia chiamata bioreattore anaerobico a membrana. A differenza dei tradizionali impianti di trattamento che si affidano all'ossigeno e producono enormi quantità di fanghi, questi sistemi utilizzano batteri che prosperano senza aria per decomporre i rifiuti, rilasciando gas metano che può essere catturato per produrre energia. Il processo è pulito ed efficiente, ma deve affrontare un problema fisico ostinato: il filtro. In questi reattori, una membrana funge da setaccio per separare l'acqua pulita dalla vita microscopica che svolge il lavoro. Con il tempo, uno strato appiccicoso di sporcizia biologica e minuscole particelle ostruisce questo setaccio, proprio come un filtro per il caffè si ostruisce con i fondi. Questo blocco, noto come fouling, costringe il sistema a lavorare di più, consuma più energia e, alla fine, interrompe il flusso di acqua pulita. Per anni, gli ingegneri hanno lottato per mantenere questi filtri liberi senza usare sostanze chimiche aggressive o un eccesso di energia.

Un team di ricercatori della Danang University of Technology and Education, in Vietnam, si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema di ostruzione combinando tre diversi metodi di pulizia in un'unica strategia coordinata. Hanno costruito un reattore su scala di laboratorio e hanno testato quanto bene potesse gestire le acque reflue per un lungo periodo. Il loro approccio non consisteva nel fare affidamento su un solo trucco, ma nel stratificare il movimento meccanico, le bolle di gas e l'interferenza biologica. Volevano vedere se scuotere il filtro, soffiare bolle contro di esso e introdurre batteri che interrompono la comunicazione dei microbi che causano l'ostruzione potessero funzionare meglio insieme rispetto a un singolo metodo. L'obiettivo era mantenere l'acqua in movimento fluido per settimane senza che il sistema soffocasse i propri rifiuti.

I ricercatori hanno iniziato lasciando che il reattore si assestasse per diciassette settimane, permettendo alla comunità microbica di stabilizzarsi e imparare a consumare i rifiuti in modo efficiente. Durante questo periodo, il sistema ha rimosso con successo circa il 69 percento della domanda chimica di ossigeno e il 76 percento della domanda biochimica di ossigeno dall'acqua, dimostrando che il motore biologico funzionava regolarmente. Una volta che il sistema era stabile, lo hanno spinto ai suoi limiti aumentando la velocità con cui l'acqua veniva forzata attraverso la membrana. Quando hanno spinto l'acqua troppo velocemente, a un ritmo di 400 litri per metro quadrato all'ora, il filtro si è ostruito rapidamente. In soli due giorni, il flusso di acqua pulita è diminuito di oltre il 73 percento. Ciò ha confermato che l'alta pressione accelera l'accumulo dello strato di ostruzione, spostando il problema dalle minuscole particelle che bloccano i pori del filtro a una torta densa e solida che si forma sulla superficie.

Per combattere questo fenomeno, il team ha prima testato una soluzione meccanica: scuotere la membrana avanti e indietro. Hanno scoperto che muovere la membrana aiutava a rimuovere lo strato sciolto di sporcizia, ma solo se lo scuotimento veniva eseguito alla giusta velocità. Se l'avevano scossa troppo violentemente, avevano in realtà peggiorato il problema, rompendo i grumi di scarto in pezzi più piccoli che potevano infilarsi più in profondamente nei pori del filtro. Tuttavia, a una velocità di scuotimento moderata, il flusso d'acqua rimaneva forte. Questa azione meccanica era efficace nel mantenere pulita la superficie, ma non poteva fermare la colla biologica che tiene insieme l'ostruzione.

I ricercatori hanno poi aggiunto un tocco biologico. Hanno introdotto tipi specifici di batteri, noti come microbi di quorum quenching, che agiscono come un disturbatore per i segnali di comunicazione utilizzati dai batteri ostruenti. Normalmente, questi batteri ostruenti comunicano tra loro per coordinare il rilascio di sostanze appiccicose che formano un biofilm resistente. I batteri di quorum quenching interrompono questa conversazione, impedendo al biofilm di formare una crosta solida e impenetrabile. Quando il team ha combinato lo scuotimento meccanico, le bolle di gas e i batteri che disturbano il segnale, i risultati sono stati significativamente migliori rispetto all'uso di un singolo metodo. In un periodo di dieci giorni, il reattore con questo approccio combinato ha mantenuto un flusso di acqua pulita molto più elevato e ha accumulato molta meno pressione contro il filtro rispetto al sistema di controllo privo dei batteri che disturbano il segnale.

Forse la scoperta più importante è stata come la natura dell'ostruzione sia cambiata. Nel sistema standard, una grande parte del blocco era irreversibile, ovvero era attaccata così strettamente al filtro che la pulizia fisica non poteva rimuoverla. Nel sistema con le strategie combinate, la quantità di questo blocco permanente e ostinato è diminuita della metà. Invece, l'ostruzione che si è formata era per lo più reversibile, uno strato sciolto che poteva essere lavato via facilmente. I ricercatori hanno utilizzato l'analisi statistica per confermare che questi tre metodi lavorassero insieme per cambiare il modo stesso in cui il filtro si sporcava, trasformando il problema da un'ostruzione profonda e permanente a uno strato superficiale che poteva essere gestito.

Lo studio conclude che scuotendo delicatamente la membrana, soffiando bolle per pulire la superficie e utilizzando batteri per interrompere il processo di produzione della colla, è possibile mantenere questi avanzati sistemi di trattamento delle acque in funzione per molto più tempo senza guasti. Questo approccio integrato non si limita a rallentare l'ostruzione; altera fondamentalmente il tipo di ostruzione che si forma, rendendola più facile da pulire e meno dannosa per l'attrezzatura. Sebbene il sistema richieda ancora una gestione attenta della velocità di scuotimento per evitare di rompere i rifiuti, la combinazione di tattiche fisiche e biologiche offre una strada promettente verso un funzionamento sostenibile e a lungo termine di questi impianti di trattamento delle acque a bilancio energetico positivo.