Solvent regeneration of activated carbon mixed-matrix membranes for the removal of micropollutants from wastewater

The constantly increasing demand of clean water has become challenging to deal with over the past years, water being an ever more precious resource. In recent times, the existing wastewater treatments had to be integrated with new steps, due to the detection of so-called organic micropollutants (OMPs). These compounds have been shown to adversely affect the environment and possibly human health, even when found in very low concentrations. In order to remove OMPs from wastewater, one possible technique is a hybrid process combining filtration and adsorption. In this work, polyethersulfone multi-channel mixed-matrix membranes with embedded powdered activated carbon (PAC) were tested to investigate the membrane’s adsorption and desorption performance. Micropollutants retention was analyzed using the pharmaceutical compounds diclofenac (DCF), paracetamol (PARA) and carbamazepine (CBZ) in filtration mode, combining the PAC adsorption process with the membrane’s ultrafiltration. Desorption performance was studied through solvent regeneration, using seven different solvents: pure water, pure ethanol, mixture of ethanol and water in different concentration, sodium hydroxide and a mixture of ethanol and sodium hydroxide. Regeneration experiments were carried out in forward-flushing. At first regeneration efficiency was investigated using a single-solute solution (diclofenac in water). The mixture Ethanol/Water (50:50) was found to be the most efficient with long-term retention of 59% after one desorption cycle. It was, therefore, later tested on a membrane previously loaded with a multi-solute solution. Three desorption cycles were performed after which, retention (after 30 min) reached values of 87% for PARA and 72% for CBZ and 55% for DCF, which indicates decent regenerability. A morphological analysis on the membranes confirmed that, in any case, the regeneration cycles did not affect either the membranes’ structure, or the content and distribution of PAC in the matrix.

Biometanazione della frazione organica di rifiuti solidi urbani da raccolta indifferenziata mediante codigestione con refluo zootecnico o addizione di solfuro di sodio

Il presente elaborato è stato finalizzato allo sviluppo di un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU oppure, in lingua inglese OFMSW, Organic Fraction of Municipal Solid Waste) provenienti da raccolta indifferenziata e conseguente produzione di biogas da impiegarsi per il recupero energetico. Questo lavoro rientra nell’ambito di un progetto, cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna attraverso il Programma Regionale per la Ricerca Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico (PRRIITT), sviluppato dal Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM) dell’Università di Bologna in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Ferrara e con la società Recupera s.r.l. che applicherà il processo nell’impianto pilota realizzato presso il proprio sito di biostabilizzazione e compostaggio ad Ostellato (FE). L’obiettivo è stato la verifica della possibilità di impiegare la frazione organica dei rifiuti indifferenziati per la produzione di biogas, e in particolare di metano, attraverso un processo di digestione anaerobica previo trattamento chimico oppure in codigestione con altri substrati organici facilmente fermentabili. E’ stata inoltre studiata la possibilità di impiego di reattori con biomassa adesa per migliorare la produzione specifica di metano e diminuire la lag phase. Dalla sperimentazione si può concludere che è possibile giungere allo sviluppo di metano dalla purea codigerendola assieme a refluo zootecnico. Per ottenere però produzioni significative la quantità di solidi volatili apportati dal rifiuto non deve superare il 50% dei solidi volatili complessivi. Viceversa, l’addizione di solfuri alla sola purea si è dimostrata ininfluente nel tentativo di sottrarre gli agenti inibitori della metanogenesi. Inoltre, l’impiego di supporti di riempimento lavorando attraverso processi batch sequenziali permette di eliminare, nei cicli successivi al primo, la lag phase dei batteri metanogeni ed incrementare la produzione specifica di metano.

Processo biotecnologico a cellule immobilizzate per la produzione di acidi grassi volatili da acque di vegetazione

Le acque di vegetazione (AV) costituiscono un serio problema di carattere ambientale, sia a causa della loro elevata produzione sia per l’ elevato contenuto di COD che oscilla fra 50 e 150 g/l. Le AV sono considerate un refluo a tasso inquinante fra i più elevati nell’ambito dell’industria agroalimentare e la loro tossicità è determinata in massima parte dalla componente fenolica. Il presente lavoro si propone di studiare e ottimizzare un processo non solo di smaltimento di tale refluo ma anche di una sua valorizzazione, utlizzandolo come materia prima per la produzione di acidi grassi e quindi di PHA, polimeri biodegradabili utilizzabili in varie applicazioni. A tale scopo sono stati utilizzati due bioreattori anaerobici a biomassa adesa, di identica configurazione, con cui si sono condotti due esperimenti in continuo a diverse temperature e carichi organici al fine di studiare l’influenza di tali parametri sul processo. Il primo esperimento è stato condotto a 35°C e carico organico pari a 12,39 g/Ld, il secondo a 25°C e carico organico pari a 8,40 g/Ld. Si è scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si è rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si è scelto di lavorare in continuo poiché tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocità specifiche di crescita. Per costituire il letto fisso dei due reattori si sono utilizzati due diversi tipi di supporto, in modo da poter studiare anche l’influenza di tale parametro, in particolare si è fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si è visto che la massima quantità di VFA prodotta nell’ambito del presente studio si ha nel VS mantenuto a 25°C: in tale condizione si arriva infatti ad un valore di VFA prodotti pari a 524,668 mgCOD/L. Inoltre l’effluente in uscita risulta più concentrato in termini di VFA rispetto a quello in entrata: nell’alimentazione la percentuale di materiale organico presente sottoforma di acidi grassi volatili era del 54 % e tale percentuale, in uscita dai reattori, ha raggiunto il 59 %. Il VS25 rappresenta anche la condizione in cui il COD degradato si è trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l’acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione più favorevole alla produzione di VFA però, si è riusciti ad ottenere una loro concentrazione in uscita (3,43 g/L) inferiore rispetto a quella di tentativo (8,5 g/L di VFA) per il processo di produzione di PHA, sviluppato da un gruppo di ricerca dell’università “La Sapienza” di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si può constatare che la modesta produzione di VFA non è dovuta all’eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto è dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo è di buon auspicio nell’ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poiché è possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 è pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si può agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si è visto che il processo di acidogenesi è favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA è molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si può quindi pensare a un’applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.

Prove di ozonolisi sui fanghi biologici prodotti da impianti di depurazione delle acque reflue urbane

La tecnica di ozonolisi viene applicata ai fanghi biologici derivanti da impianti di depurazione acque reflue urbane, e consiste nell'ottenere, grazie all'ozono, una minor massa fangosa da smaltire e una miglior trattabilità del fango residue. In questo elaborato si prendono in esame le sperimentazioni effettuate a Marina di Ravenna e si estraggono le prime conclusioni gestionali, economiche e ambientali sull'applicabilità del metodo a questo tipo di fango.

Hydrogeochemical characterization of Seehausen territory - Bremen

The aim of this thesis is to provide a geochemical characterization of the Seehausen territory (a neighborhood) of Bremen, Germany. In this territory it is hosted a landfill of dredged sediments coming both from Bremerhaven (North See) and Bremen harbor (directly on the river Weser). For this reason this work has been focused also on possible impacts of the landfill on the groundwaters (shallow and deep aquifer). The Seehausen landfill uses the dewatering technique to manage the dredged sediments: incoming sediments are put into dewatering fields until they are completely dried (it takes almost a year). Then they are randomly sampled and analyzed: if the pollutants content is acceptable, sediments are treated with other materials and used instead of raw material for embankment, bricks, etc., otherwise they are disposed in the landfill. During this work it has been made a study of the natural geology and hydrogeology of the whole area of interest, especially because it is characterized by ancient natural salt deposits. Then, together with the Geological Survey of Bremen and the Harbor Authority of Bremen there have been identified all useful piezometers for a monitoring net around the landfill. During the sampling campaign there have been collected data of the principal anions and cations, physical parameters and stable water isotopes. Data analysis has been focused particularly on Cl, Na, SO4 and EC because these parameters might be helpful to attribute geochemical trends to the landfill or to a natural background. Furthermore dataloggers have been installed for a month in some piezometers and EC, pressure, dissolved oxygen and temperature data have been collected. Finally there has been made a deep comparison between current and historical data (1996 – 2011) and between old interpolation maps and current ones in order to see time trends of the aquifer geochemistry.

Outdoor production of Isochrysis galbana (T-iso) in industrial scale photobioreactors and modelling of its photosynthesis and respiration rate

Isochrysis galbana is a widely-used strain in aquaculture in spite of its low productivity. To maximize the productivity of processes based on this microalgae strain, a model was developed considering the influence of irradiance, temperature, pH and dissolved oxygen concentration on the photosynthesis and respiration rate. Results demonstrate that this strain tolerates temperatures up to 35ºC but it is highly sensitive to irradiances higher than 500 µE·m-2·s-1 and dissolved oxygen concentrations higher than 11 mg·l-1. With the researcher group of the “Universidad de Almeria”, the developed model was validated using data from an industrial-scale outdoor tubular photobioreactor demonstrating that inadequate temperature and dissolved oxygen concentrations reduce productivity to half that which is maximal, according to light availability under real outdoor conditions. The developed model is a useful tool for managing working processes, especially in the development of new processes based on this strain and to take decisions regarding optimal control strategies. Also the outdoor production of Isochrysis galbana T-iso in industrial size tubular photobioreactors (3.0 m3) has been studied. Experiments were performed modifying the dilution rate and evaluating the biomass productivity and quality, in addition to the overall performance of the system. Results confirmed that T-iso can be produced outdoor at commercial scale in continuous mode, productivities up to 20 g·m-2·day-1 of biomass rich in proteins (45%) and lipids (25%) being obtained. The utilization of this type of photobioreactors allows controlling the contamination and pH of the cultures, but daily variation of solar radiation imposes the existence of inadequate dissolved oxygen concentration and temperature at which the cells are exposed to inside the reactor. Excessive dissolved oxygen reduced the biomass productivity to 68% of maximal, whereas inadequate temperature reduces to 63% of maximal. Thus, optimally controlling these parameters the biomass productivity can be duplicated. These results confirm the potential to produce this valuable strain at commercial scale in optimally designed/operated tubular photobioreactors as a biotechnological industry.