Algal wastewater treatment and biomass producing potential: nutrient removal efficiency and cell physiological responses

Microalgae are sun - light cell factories that convert carbon dioxide to biofuels, foods, feeds, and other bioproducts. The concept of microalgae cultivation as an integrated system in wastewater treatment has optimized the potential of the microalgae - based biofuel production. These microorganisms contains lipids, polysaccharides, proteins, pigments and other cell compounds, and their biomass can provide different kinds of biofuels such as biodiesel, biomethane and ethanol. The algal biomass application strongly depends on the cell composition and the production of biofuels appears to be economically convenient only in conjunction with wastewater treatment. The aim of this research thesis was to investigate a biological wastewater system on a laboratory scale growing a newly isolated freshwater microalgae, Desmodesmus communis, in effluents generated by a local wastewater reclamation facility in Cesena (Emilia Romagna, Italy) in batch and semi - continuous cultures. This work showed the potential utilization of this microorganism in an algae - based wastewater treatment; Desmodesmus communis had a great capacity to grow in the wastewater, competing with other microorganisms naturally present and adapting to various environmental conditions such as different irradiance levels and nutrient concentrations. The nutrient removal efficiency was characterized at different hydraulic retention times as well as the algal growth rate and biomass composition in terms of proteins, polysaccharides, total lipids and total fatty acids (TFAs) which are considered the substrate for biodiesel production. The biochemical analyses were coupled with the biomass elemental analysis which specified the amount of carbon and nitrogen in the algal biomass. Furthermore photosynthetic investigations were carried out to better correlate the environmental conditions with the physiology responses of the cells and consequently get more information to optimize the growth rate and the increase of TFAs and C/N ratio, cellular compounds and biomass parameter which are fundamental in the biomass energy recovery.

Procedure e strumenti innovativi per lo sfruttamento sostenibile delle risorse minerarie

L'approvvigionamento di risorse minerali e la tutela dell'ambiente sono spesso considerate attività contrapposte ed inconciliabili, ma in realtà rappresentano due necessità imprescindibili per le società moderne. Le georisorse, in quanto non rinnovabili, devono essere valorizzate in maniera efficiente, adoperando strumenti che garantiscano la sostenibilità ambientale, sociale ed economica degli interventi estrattivi. La necessità di tutelare il territorio e migliorare la qualità della vita delle comunità locali impone alla Pubblica Amministrazione di implementare misure per la riqualificazione di aree degradate, ma fino ai primi anni '90 la normativa di settore non prevedeva strumenti a tal proposito, e ciò ha portato alla proliferazione di siti estrattivi dismessi e abbandonati senza interventi di recupero ambientale. Il presente lavoro di ricerca fornisce contributi innovativi alla pianificazione e progettazione sostenibile delle attività estrattive, attraverso l'adozione di un approccio multidisciplinare alla trattazione del tema e l'utilizzo esperto dei Sistemi Informativi Geografici, in particolare GRASS GIS. A seguito di una approfondita analisi in merito agli strumenti e le procedure adottate nella pianificazione delle Attività Estrattive in Italia, sono stati sviluppati un metodo di indagine ed un sistema esperto per la previsione ed il controllo delle vibrazioni indotte nel terreno da volate in cava a cielo aperto, che consentono di ottimizzare la progettazione della volata e del sistema di monitoraggio delle vibrazioni grazie a specifici strumenti operativi implementati in GRASS GIS. A supporto di una più efficace programmazione di interventi di riqualificazione territoriale, è stata messa a punto una procedura per la selezione di siti dismessi e di potenziali interventi di riqualificazione, che ottimizza le attività di pianificazione individuando interventi caratterizzati da elevata sostenibilità ambientale, economica e sociale. I risultati ottenuti dimostrano la necessità di un approccio esperto alla pianificazione ed alla progettazione delle attività estrattive, incrementandone la sostenibilità attraverso l'adozione di strumenti operativi più efficienti.

Individuazione di tecniche di gestione idrica-agronomica e di ricarica dell’acquifero freatico costiero per limitare la salinizzazione delle acque sotterranee e dei suoli.

Nel Comune di Ravenna, oltre 6.800 ettari di terreni agricoli sono a rischio salinizzazione, a causa dell’alta salinità delle acque sotterranee presenti all’interno dell’acquifero freatico costiero. L'area è interessata da subsidenza naturale, per compattazione dei sedimenti alluvionali e antropica, causata dall’estrazione di gas e dall’eccessivo sfruttamento delle acque sotterranee. Ne deriva che la maggior parte di questo territorio è sotto il livello medio del mare e l'agricoltura, così come ogni altra attività umana, è possibile grazie ad una fitta rete di canali di drenaggio che garantiscono il franco di coltivazione. L’agricoltura è una risorsa importante per la zona, ma a causa della scarsa disponibilità di acque dolci e per l’aumento dei processi di salinizzazione dei suoli, necessita di un cambiamento. Servono pratiche agricole sostenibili, con idonei requisiti irrigui, di drenaggio del suolo, di resistenza alla salinizzazione e di controllo del suolo. Dopo un’analisi generale sulle condizioni dell’acquifero, è stato monitorato un transetto di 10km rappresentativo della parte costiera di Ravenna. Infine, con l'obiettivo di comprendere l'interazione tra un canale d'irrigazione e le acque sotterranee, una piccola area agricola (12 ettari), è stata monitorata nel corso del 2011 utilizzando metodi idrologici, geochimici e geofisici. I risultati di questo lavoro mostrano una diffusa salinizzazione della falda freatica, ma anche la presenza di una lente d'acqua dolce spessa 5m, a 400m dalla linea di riva, con caratteristiche chimiche (hydrofacies) tipici di acque continentali e con dimensioni variabili stagionalmente. Questa bolla di acqua dolce si è originata esclusivamente dalle infiltrazioni dal canale d’irrigazione presente, in quanto, il contributo dell’irrigazione superficiale è stato nullo. Sfruttando la rete di canali di drenaggio già presente sarebbe possibile estendere questo processo d’infiltrazione da canale in altre porzioni dell’acquifero allo scopo di ricaricare l’acquifero stesso e limitare la salinizzazione dei suoli.

Caratterizzazione avanzata in laboratorio di materie prime secondarie rigenerate o stabilizzate con emulsione di bitume e leganti cementizi

Il recupero dei materiali di scarto è un aspetto di grande attualità in campo stradale, così come negli altri ambiti dell’ingegneria civile. L’attenzione della ricerca e degli esperti del settore è rivolta all’affinamento di tecniche di riciclaggio che riducano l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Tali indagini cercano di far corrispondere le necessità di smaltimento dei rifiuti con quelle dell’industria infrastrutturale, legate al reperimento di materiali da costruzione tecnicamente idonei ed economicamente vantaggiosi. Attualmente sono già diversi i tipi di prodotti rigenerati e riutilizzati nella realizzazione delle pavimentazioni stradali e numerosi sono anche quelli di nuova introduzione in fase di sperimentazione. In particolare, accanto ai materiali derivanti dalle operazioni di recupero della rete viaria, è opportuno considerare anche quelli provenienti dall’esercizio delle attività di trasporto, il quale comporta ogni anno il raggiungimento della fine della vita utile per centinaia di migliaia di tonnellate di pneumatici di gomma. L’obiettivo della presente analisi sperimentale è quello di fornire indicazioni e informazioni in merito alla tecnica di riciclaggio a freddo con emulsione bituminosa e cemento, valutando la possibilità di applicazione di tale metodologia in combinazione con il polverino di gomma, ottenuto dal recupero degli pneumatici fuori uso (PFU). La ricerca si distingue per una duplice valenza: la prima è quella di promuovere ulteriormente la tecnica di riciclaggio a freddo, che si sta imponendo per i suoi numerosi vantaggi economici ed ambientali, legati soprattutto alla temperatura d’esercizio; la seconda è quella di sperimentare l’utilizzo del polverino di gomma, nelle due forme di granulazione tradizionale e criogenica, additivato a miscele costituite interamente da materiale proveniente da scarifica di pavimentazioni esistenti e stabilizzate con diverse percentuali di emulsione di bitume e di legante cementizio.

Valutazione della mobilita' di contaminanti inorganici tramite test di cessione su matrici ambientali contaminate

La caratterizzazione di sedimenti contaminati è un problema complesso, in questo lavoro ci si è occupati di individuare una metodologia di caratterizzazione che tenesse conto sia delle caratteristiche della contaminazione, con analisi volte a determinare il contenuto totale di contaminanti, sia della mobilità degli inquinanti stessi. Una adeguata strategia di caratterizzazione può essere applicata per la valutazione di trattamenti di bonifica, a questo scopo si è valutato il trattamento di soil washing, andando ad indagare le caratteristiche dei sedimenti dragati e del materiale in uscita dal processo, sabbie e frazione fine, andando inoltre a confrontare le caratteristiche della sabbia in uscita con quelle delle sabbie comunemente usate per diverse applicazioni. Si è ritenuto necessario indagare la compatibilità dal punto di vista chimico, granulometrico e morfologico. Per indagare la mobilità si è scelto di applicare i test di cessione definiti sia a livello internazionale che italiano (UNI) e quindi si sono sviluppate le tecnologie necessarie alla effettuazione di test di cessione in modo efficace, automatizzando la gestione del test a pHstat UNI CEN 14997. Questo si è reso necessario a causa della difficoltà di gestire il test manualmente, per via delle tempistiche difficilmente attuabili da parte di un operatore. Le condizioni redox influenzano la mobilità degli inquinanti, in particolare l’invecchiamento all’aria di sedimenti anossici provoca variazioni sensibili nello stato d’ossidazione di alcune componenti, incrementandone la mobilità, si tratta quindi di un aspetto da considerare quando si individuano le adeguate condizioni di stoccaggio-smaltimento, si è eseguita a questo scopo una campagna sperimentale.