Ottimizzazione dei processi depurativi di reflui ad elevato carico organico a fini di recupero energetico

L’attuale condizione che caratterizza il settore energetico richiede un necessario processo di riconversione che, oltre a favorire il risparmio energetico, riduca la dipendenza dai combustibili fossili ed accresca l’impiego di fonti energetiche rinnovabili, dando un contributo fondamentale alla riduzione delle emissioni di gas serra come diversi accordi internazionali richiedono. Si rende pertanto necessario accelerare i processi che da alcuni anni stanno favorendo l’utilizzo di energia da fonti rinnovabili. Tra queste, le fonti legate ai processi di trattamento biologico dei reflui stanno avendo un interessante sviluppo. Esistono numerosi processi biologici che consentono la produzione di energia in maniera indiretta, quali ad esempio i processi di digestione anaerobica finalizzati alla produzione di biogas e/o produzione biologica di idrogeno. In tale contesto si inserisce la tecnologia delle Microbial Fuel Cell, che consente la produzione diretta di energia elettrica, finalizzata al recupero energetico inteso al miglioramento dell’efficienza energetica e alla riduzione dei costi d’esercizio di impianti di trattamento biologico dei reflui. Il presente lavoro di Tesi di Dottorato sperimentale, svoltosi in collaborazione al laboratorio PROT.-IDR. della sede ENEA di Bologna, riporta i risultati dell’attività di ricerca condotta su una MFC (Microbial Fuel Cell) a doppio stadio biologico per il trattamento di reflui ad elevato carico organico e produzione continua di energia elettrica. E’ stata provata l’applicabilità della MFC con entrambi i comparti biotici utilizzando elettrodi di grafite non trattata ottenendo, con un carico organico in ingresso di circa 9 gd-1, valori di potenza massima prodotta che si attestano su 74 mWm-2, corrente elettrica massima generata di 175 mAm-2 ad una tensione di 421 mV, ed una conversione di COD in elettricità pari a 1,2 gCODm-2d-1. I risultati sono stati molto positivi per quanto riguarda le prestazioni depurative ottenute dalla MFC. L’efficienza di depurazione misurata ha raggiunto un valore massimo del 98% di rimozione del COD in ingresso, mentre e la concentrazione di azoto ammoniacale nell’effluente raccolto all’uscita del sedimentatore è sempre stata inferiore a 1 mgN-NH4+l-1. Tra gli obiettivi posti all’inizio della sperimentazione si è rivelata di notevole interesse la valutazione del possibile utilizzo della MFC come sistema per il monitoraggio on-line del COD e degli acidi grassi volatili (VFA) prodotti all’interno di un digestore anaerobico, attraverso la definizione di una correlazione tra i dati elettrici registrati in continuo e le concentrazioni di CODanaer e VFA misurate in diversi periodi della sperimentazione. L’analisi DGGE della biomassa catodica ha fornito uno strumento analitico utile allo studio della diversità della comunità microbica sospesa ed adesa al catodo e ha confermato la forte similarità delle specie batteriche riconosciute nei campioni analizzati. In particolare, le bande di sequenziamento ottenute sono affiliate ai gruppi batterici Firmicutes, -Proteobacteria,  -Proteobacteria, -Proteobacteria e Bacteroidetes. Da quanto emerso dalla sperimentazione condotta si può pertanto concludere che ad oggi le MFC sono in fase di evoluzione rispetto ai primi prototipi utilizzati per lo studio delle comunità microbiali e per la comprensione dei meccanismi di trasferimento elettronico. Sfruttarne la potenza prodotta in maniera commerciale diviene una grande sfida per il futuro, ed è opinione comune che le prime applicazioni pratiche delle MFC saranno come fonte di recupero energetico per i dispositivi utilizzati per il monitoraggio dell’ambiente e per il trattamento delle acque reflue.

The challenges and the limitations in Life Cycle Impact Assessment for metal oxide nanoparticles, a case study on nano- TiO2

Life Cycle Assessment (LCA) is a chain-oriented tool to evaluate the environment performance of products focussing on the entire life cycle of these products: from the extraction of resources, via manufacturing and use, to the final processing of the disposed products. Through all these stages consumption of resources and pollutant releases to air, water, soil are identified and quantified in Life Cycle Inventory (LCI) analysis. Subsequently to the LCI phase follows the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) phase; that has the purpose to convert resource consumptions and pollutant releases in environmental impacts. The LCIA aims to model and to evaluate environmental issues, called impact categories. Several reports emphasises the importance of LCA in the field of ENMs. The ENMs offer enormous potential for the development of new products and application. There are however unanswered questions about the impacts of ENMs on human health and the environment. In the last decade the increasing production, use and consumption of nanoproducts, with a consequent release into the environment, has accentuated the obligation to ensure that potential risks are adequately understood to protect both human health and environment. Due to its holistic and comprehensive assessment, LCA is an essential tool evaluate, understand and manage the environmental and health effects of nanotechnology. The evaluation of health and environmental impacts of nanotechnologies, throughout the whole of their life-cycle by using LCA methodology. This is due to the lack of knowledge in relation to risk assessment. In fact, to date, the knowledge on human and environmental exposure to nanomaterials, such ENPs is limited. This bottleneck is reflected into LCA where characterisation models and consequently characterisation factors for ENPs are missed. The PhD project aims to assess limitations and challenges of the freshwater aquatic ecotoxicity potential evaluation in LCIA phase for ENPs and in particular nanoparticles as n-TiO2.

Le reologia dei leganti bituminosi stradali: studio delle proprietà meccaniche a seguito di processi di “aging” in laboratorio

Lo studio effettuato pone le sue basi sulla ricerca di materiali stradali che combinino ad elevati standard prestazionali, la riduzione dell’impatto ambientale in fase realizzativa e manutentiva. In particolare il seguente lavoro si occupa dello studio di 7 leganti modificati con polimeri ed additivati con cere. I primi infatti conferiscono alla miscela maggiore elastoplasticità, incrementandone la durabilità e la resistenza a fatica. Nei secondi la presenza del materiale paraffinico contribuisce a ridurre la viscosità del bitume, consentendo un notevole abbassamento della temperatura di produzione e stesa della miscela. Numerosi studi hanno dimostrato che le caratteristiche meccaniche della pavimentazione sono fortemente influenzate dal grado di ossidazione delle componenti organiche del bitume, ovvero dal fenomeno dell’invecchiamento o aging. Pertanto allo studio reologico del bitume, si sono affiancate prove di simulazione dell’ invecchiamento nel breve e lungo termine. In fase di ricerca sperimentale si sono analizzati i leganti modificati ed additivati secondo la teoria della viscoelasticità, simulando le reali condizioni di carico ed invecchiamento alle quali il bitume è sottoposto. Tutte le prove di caratterizzazione reologica avanzata sono state effettuate mediante l’utilizzo del DSR (Dynamic Shear Rheometer - UNI EN 14770 ) in varie configurazioni di prova e l’invecchiamento a breve termine è stato simulato mediante RTFOT (Rolling thin film oven test -UNI EN 12607-1). Si è proposto inoltre una nuova procedura di aging invecchiando il bitume alla temperatura di Twork, ovvero a quel valore della temperatura tale per cui, in fase di messa in opera, si avrà una distribuzione molecolare omogenea del modificante all’interno del bitume.

Fenomeni di transizione degli organismi edilizi, criteri operativi di inserimento ambientale e procedure di intervento

La presente tesi indaga le potenzialità, in termini di criteri operativi di inserimento ambientale e procedure di intervento, che possono derivare dall’analisi dei fenomeni insediativi facendo riferimento ai concetti di ‘transizione’ e ‘resilienza’. L’attuale periodo di crisi sembra scaturire dal disequilibrio di due fattori: le esigenze umane e l’ambiente. La contestualizzazione degli interventi, il graduale adattamento alle risorse ambientali locali e la valorizzazione dei processi “dal basso” sembrano consentire di riappropriarsi sia del valore identitario dei luoghi, dando risposta ai problemi di natura sociale evidenziati, sia della eco-compatibilità delle trasformazioni, del corretto utilizzo delle risorse energetiche e della gestione delle dinamiche economiche, in risposta ai problemi ambientali analizzati. Il prefigurare applicazioni pratiche del modello di trasformazione indagato alla scala edilizia, utilizzando tavole parametriche di analisi del costruito, viste d’insieme planivolumetriche ed elaborazioni di dati e immagini, può consentire la gestione di eventuali fasi di programmazione e di pianificazione da parte delle amministrazioni finalizzate a favorire e non ostacolare i presenti e futuri fenomeni di transizione. Particolarmente significativa appare l’analisi delle diverse tendenze di ricerca progettuale in atto, con riferimento a contributi caratterizzati da un’impostazione fenomenologica e tipo-morfologica, che dimostra l’attualità degli argomenti affrontati. La ricerca di Dottorato si conclude con l’applicazione dei criteri operativi di inserimento ambientale e delle procedure di intervento individuati ad uno specifico caso di studio.

Approccio multidisciplinare per le valutazioni ambientali: Problematiche e sinergie in un uso combinato delle metodologie life cycle assessment (lca) e risk assessment (ra)

In questo lavoro di tesi si è elaborato un quadro di riferimento per l’utilizzo combinato di due metodologie di valutazione di impatti LCA e RA, per tecnologie emergenti. L’originalità dello studio sta nell’aver proposto e anche applicato il quadro di riferimento ad un caso studio, in particolare ad una tecnologia innovativa di refrigerazione, basata su nanofluidi (NF), sviluppata da partner del progetto Europeo Nanohex che hanno collaborato all’elaborazione degli studi soprattutto per quanto riguarda l’inventario dei dati necessari. La complessità dello studio è da ritrovare tanto nella difficile integrazione di due metodologie nate per scopi differenti e strutturate per assolvere a quegli scopi, quanto nel settore di applicazione che seppur in forte espansione ha delle forti lacune di informazioni circa processi di produzione e comportamento delle sostanze. L’applicazione è stata effettuata sulla produzione di nanofluido (NF) di allumina secondo due vie produttive (single-stage e two-stage) per valutare e confrontare gli impatti per la salute umana e l’ambiente. Occorre specificare che il LCA è stato quantitativo ma non ha considerato gli impatti dei NM nelle categorie di tossicità. Per quanto concerne il RA è stato sviluppato uno studio di tipo qualitativo, a causa della problematica di carenza di parametri tossicologici e di esposizione su citata avente come focus la categoria dei lavoratori, pertanto è stata fatta l’assunzione che i rilasci in ambiente durante la fase di produzione sono trascurabili. Per il RA qualitativo è stato utilizzato un SW specifico, lo Stoffenmanger-Nano che rende possibile la prioritizzazione dei rischi associati ad inalazione in ambiente di lavoro. Il quadro di riferimento prevede una procedura articolata in quattro fasi: DEFINIZIONE SISTEMA TECNOLOGICO, RACCOLTA DATI, VALUTAZIONE DEL RISCHIO E QUANTIFICAZIONE DEGLI IMPATTI, INTERPRETAZIONE.

Processi integrati per l’intensificazione di processo: reazione di fotocatalisi accoppiata alla pervaporazione, la dialisi e all’ozonizzazione

L’accoppiamento di diverse operazioni unitarie può in certi casi portare ad una cosiddetta “intensificazione di processo”, cioè ad un aumento sostanziale delle rese, dell’efficienza e della sostenibilità. Nel presente lavoro sono state pertanto analizzate le potenzialità di accoppiamento della fotocatalisi, il più studiato tra i “processi di ossidazione avanzata”, sia con alcuni processi a membrana per la sintesi verde di aromi sia con l’ozonizzazione per la depurazione di acque. È stato dimostrato che in entrambi i casi l’ottenimento di una significativa intensificazione di processo dipende in gran parte dai parametri operativi, in particolare dal rapporto, delta, tra la velocità caratteristica di fotocatalisi e quella del processo accoppiato. Nel caso della sintesi di aromi, in cui la fotocatalisi viene accoppiata con la pervaporazione o con la dialisi ricircolando al reattore il retentato dalla cella con la membrana. Il parametro delta dipende dalla velocità di reazione, dalle proprietà di trasporto delle membrane e naturalmente dal volume del rettore e dall’area della membrana. La reazione fotocatalitica produce l’aroma, ad esempio vanillina da acido ferulico, per ossidazione parziale e grazie al recupero del prodotto se ne evita l’ulteriore ossidazione aumentandone pertanto la resa. L’operare in apparati separati offre diversi vantaggi come la possibilità di variare senza vincoli il rapporto tra area della membrana e volume del reattore, ma impone di considerare anche il grado effettivo di accoppiamento dei processi. In questo caso, come evidenziato dal modello matematico, un sufficientemente elevato rapporto di ricircolo consente comunque di integrare efficacemente i processi. Nell’ozonizzazione fotocatalitica si hanno due importanti vantaggi: l’aumento della velocità di degradazione grazie alla sinergia tra i processi e la capacità di controllare la formazione di prodotti pericolosi. La sinergia viene massimizzata ad un valore ottimale di delta, mentre la formazione dei prodotti indesiderati viene controllata operando secondo le procedure che sono state individuate.

Dallo spreco alimentare alla creazione di capitale sociale. Definizione di strumenti metodologici per la valutazione dell'impatto sociale dei progetti di recupero alimentare

Ogni anno in Europa milioni di tonnellate di cibo vengono gettate via. Una stima pubblicata dalla Commissione europea afferma che, nei 27 Stati membri, 89 milioni di tonnellate di cibo, o di 179 kg pro capite, vengono scartati. Lo spreco si verifica lungo tutta la catena di agro alimentare; la riduzione dei rifiuti alimentari è diventata una delle priorità dell'agenda europea. La ricerca si concentra su un caso studio, Last Minute Market, un progetto di recupero di sprechi alimentari. L'impatto di questo progetto dal punto di vista economico e ambientale è già stato calcolato. Quello che verrà analizzato è l'impatto di questa iniziativa sulla comunità e in particolare sul capitale sociale, definito come "l'insieme di norme e reti che consentono l'azione collettiva". Obiettivo del presente lavoro è, quindi, quello di eseguire, attraverso la somministrazione di un questionario a diversi stakeholder del progetto, un’analisi confrontabile con quella del 2009 e di verificare a distanza di cinque anni, se l'iniziativa Last Minute Market abbia prodotto una crescita di capitale sociale nella comunità interessata da questa iniziativa. Per riassumere l’influenza del progetto sul capitale sociale in un indice sintetico, viene calcolato quello che verrà chiamato indice di "affidabilità del progetto" (definito in statistica, la "capacità di un prodotto, un sistema o un servizio di fornire le prestazioni richieste, per un certo periodo di tempo in condizioni predeterminate").

Identificazione di profili di rischio cardiovascolare nel trapianto di rene: polimorfismi di geni coinvolti nei processi di infiammazione e di apoptosi

Introduction. Cardiovascular disease (CVD) represents the main cause of morbidity and mortality in kidney recipients. This study was undertaken to assess the impact of functional polymorphisms located in cytokine and apoptosis genes on CVD after kidney transplantation. Cytokine polymorphisms, generally located in gene regulatory regions, are associated with high and low cytokine production and are likely to modulate the magnitude of inflammatory responses following transplantation, depending on the balance between the levels of pro-inflammatory and antiinflammatory cytokines. The role of apoptosis in atherosclerosis has not been completely elucidated, and here we explored the hypothesis that the heterogeneity in cardiovascular risk in kidney recipients may also be linked to functional polymorphisms involved in apoptosis induction. Purpose. In the search for relevant genetic markers of predisposition to CVD after renal transplant, the present investigation was undertaken to identify the clinical impact of polymorphisms of cytokines TNF-α, TGF-β, IL-10, IL-6, IFN-γ and IL-8 and of apoptosis genes Fas and Caspase 9 in a population of kidney transplant recipients. Materials and methods. The study involved 167 patients who received cadaveric kidney transplantation at our centre between 1997 and 2005 (minimum follow-up of 12 months); 35 of them had experienced cardiovascular events (CVD group) and 132 had no cardiovascular complications (non-CVD group). Genotyping was performed using RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) for RFLP per IL-8/T-251A, Fas/G-670A e Casp9/R221Q polymorphism and SSP (Sequence Specific Primer) for TNF-α/G-308A, TGF-β/L10P, TGF-β/R25P, IL-10/G-1082A, IL- 10/C-819T, IL-10/C-592A, IL-6/G-174C, IFN-γ/T+874A polymorphisms.Results. We found a significant difference in TNF-α and IL-10 genotype frequencies between the patients who had suffered cardiovascular events and those with no CVD history. The high producer genotype for proflogistic cytokine TNF-α appeared to have a significantly superior prevalence in the CVD group compared to the non-CVD group (40.0% vs 21.2%) and it resulted in a 2.4-fold increased cardiovascular risk (OR=2.361; p=0.0289). On the other hand, the high producer genotype for the antiinflammatory cytokine IL-10 was found in 2.8% of the CVD group and in 16.7% of non-CVD group; logistic regression showed a 0.3-fold reduced risk of CVD associated with genetically determined high IL-10 production (OR=0.278; p<0.0001). The other polymorphisms did not prove to have any impact on CVD. Conclusions. TNF-α and IL-10 gene polymorphisms might represent cardiovascular risk markers in renal transplant recipients.

Il futuro delle Alpi sui sentieri della sostenibilità. Qualità ambientale e sviluppo economico nelle regioni alpine

Il tema dello sviluppo sostenibile, e i numerosi ambiti di ricerca e di applicazione a esso connessi, è oramai coralmente accettato dalla comunità scientifica, intellettuale e politica internazionale. Tuttavia, una certa tendenza a una sua iper-utilizzazione può comportare svuotamento di significati e perdita di valore. Obiettivo della presente ricerca, dunque, è quello di ripensare il concetto della sostenibilità tenuto conto delle trasformazioni strutturali che hanno interessato le regioni alpine tra il XIX e il XX secolo e sulla base di esperienze realizzate, in atto o in potenza che ben ne evidenzino le possibili applicazioni a livello regionale e locale. A tal fine, nel corso della trattazione si propone un’analisi delle buone pratiche incontrate lungo il cammino compiuto sui sentieri della sostenibilità.