Celle di elettrolisi microbiche per la il recupero energetico e la depurazione di acque reflue civili

L’attività antropica sul territorio si riflette in un eccesso di immissione di sostanze organiche, azoto e fosforo che possono provocare effetti di eutrofizzazione delle acque superficiali con conseguente impatto sulla flora e la fauna acquatica nonché sulla possibile di sviluppo di patogeni. La necessità di restituire ai bacini idrici acque depurate che non impattino sull’ecosistema è di centrale importanza per la conservazione del territorio e per la sicurezza della salute. Negli ultimi decenni il collettamento dei reflui civili ed industriali è aumentato significativamente, tuttavia, in Italia il 3.2 % di abitanti sono collegati a fognature che si riversano nei bacini idrici senza subire alcun trattamento, mentre lo 0.6% della popolazione è priva di rete fognaria pubblica1. Per inefficienza depurativa sancita dall’Unione Europea con la sentenza di condanna della Corte di Giustizia Europea l’Italia è stata sanzionata nel 20112. Nel campo della depurazione, soprattutto per i reflui civili, solitamente a basso carico organico, il processo di depurazione più diffuso è il processo a fanghi attivati, il quale richiede considerevoli costi di investimento e di funzionamento (areazione) nonché di smaltimento dei sottoprodotti di processo (fanghi di supero). Per ridurre il volume di fanghi di supero si è ricorso negli anni al processo di digestione anaerobica che permette la trasformazione della sostanza organica particolata in una miscela gassosa denominata biogas che consiste principalmente in una miscela di anidride carbonica e metano. La digestione anaerobica è un processo che permette un recupero netto di energia da matrici organiche di scarto, tuttavia il suo impiego è limitato al trattamento di matrici ad elevato contenuto di sostanza organica. Un processo innovativo per il recupero energetico da acque di scarico a basso carico organico può essere offerto dal processo di bioelettrometanogenesi mediante l’utilizzo di una cella di elettrolisi microbica (MEC). Mediante l’utilizzo di microrganismi elettroattivi è possibile accoppiare l’ossidazione della sostanza organica alla generazione di un prodotto catodico di interesse quali l’idrogeno, il metano o l’acetato. Mediante l’utilizzo di colture chemoautotrofe quali catalizzatori biologici nel comparto catodico della MEC, è possibile quindi indirizzare la riduzione della CO2 verso il metano. Per accoppiare le reazioni di ossidazione e riduzione tuttavia è necessario applicare un potenziale elettrico esterno per superare le barriere termodinamiche e cinetiche; nell’ottica di fornire energia elettrica proveniente da fonti energetiche rinnovabili, le MEC potrebbero costituire una tecnologia sostenibile per il trattamento di reflui civili ad elevata versatilità, utilizzabile in aeree non servite da reti fognarie o da impianti per il trattamento di reflui. Nella presente ricerca vengono presentati i risultati ottenuti alimentando il comparto anodico di una MEC in scala laboratorio finalizzata alla produzione di metano, con differenti substrati organici sia sintetici (acetato3, peptone, estratto di lievito, glucosio4), sia reali (digestato anaerobico e fermentato acido). La valutazione delle performance delle reazioni sono state valutate mediante il bilancio dell’elettrone (efficienza coulombica ed efficienza di cattura catodica) mentre l’efficienza di rimozione della sostanza organica da parte del reattore mediante il bilancio di materia; infine particolare enfasi è stata data all’utilizzo del bilancio di energia con il fine di valutare il parametro efficienza energetica dell’intero processo.