Acque Reflue Sotto Lente: Come le Membrane Puliscono Olio e Formaggio con la Scienza della Velocità!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo un po’ nascosto, ma super importante, del trattamento delle acque reflue. Nello specifico, parleremo di due tipi di “clienti” piuttosto ostici: le acque di vegetazione dei frantoi (quelle che in gergo tecnico chiamiamo OMW, Olive Mill Wastewater) e gli effluenti del siero di latte dei caseifici (CWE, Cheese Whey Effluent). Perché sono ostici? Beh, immaginate liquidi carichi di materia organica, che se rilasciati così come sono nell’ambiente farebbero un bel po’ di danni.

La Sfida: Acque Cariche e Difficili da Trattare

Pensateci: l’acqua di vegetazione è quel liquido scuro, dall’odore forte, che esce durante la produzione dell’olio d’oliva. È ricchissima di sostanze organiche, polifenoli, solidi sospesi… insomma, un cocktail complesso. Il siero di latte, d’altro canto, pur essendo diverso (quel liquido giallo-verdastro), è anch’esso pieno zeppo di lattosio, proteine, grassi e minerali. Entrambi hanno un elevato COD (Chemical Oxygen Demand, Domanda Chimica di Ossigeno), un parametro che ci dice quanta “roba” organica c’è dentro che consumerebbe ossigeno se finisse in un fiume o in un lago. Parliamo di concentrazioni belle alte: nello studio che stiamo esplorando, si partiva da 54 g/L per l’OMW e ben 65.6 g/L per il CWE!

La Soluzione Tecnologica: Entra in Scena la Microfiltrazione

Come possiamo “ripulire” queste acque in modo efficace? Una delle tecnologie più promettenti è la filtrazione a membrana. Immaginate una specie di setaccio super-tecnologico, con pori talmente piccoli da lasciar passare l’acqua ma trattenere le particelle più grandi, incluse molte delle sostanze organiche che vogliamo eliminare. Nello specifico, qui ci concentriamo sulla microfiltrazione (MF), che usa membrane con pori tra 0.1 e 10 micrometri (µm).

Nel nostro studio “virtuale”, abbiamo simulato un sistema di microfiltrazione su scala di laboratorio. Abbiamo preso campioni di OMW e CWE e li abbiamo fatti passare attraverso una membrana MF specifica (fatta di polivinilidene fluoruro, un materiale resistente), giocando con diverse condizioni operative:

• Portata (Q): Abbiamo provato a far scorrere l’acqua più o meno velocemente (100, 150, 200 Litri all’ora).
• Pressione: Abbiamo applicato due diverse pressioni (1 e 2 bar) per “spingere” l’acqua attraverso la membrana.
• Tempo di Filtrazione (θ): Abbiamo lasciato il sistema lavorare per tempi diversi (30, 60, 90, 120 minuti), considerandoli come tempi di ritenzione idraulica.

L’obiettivo era capire come queste variabili influenzassero l’efficienza nella rimozione del COD.

I Risultati: Cosa Abbiamo Scoperto sull’Efficienza?

Ebbene, i risultati sono stati molto interessanti! Come ci si poteva aspettare un po’, abbiamo visto che l’efficienza nella rimozione del COD tendeva a diminuire se si accorciava il tempo di filtrazione (da 120 a 30 minuti) e se si aumentava la pressione. Perché? Probabilmente perché con più pressione e meno tempo, alcune particelle organiche vengono “forzate” attraverso i pori o non hanno abbastanza tempo per essere trattenute efficacemente.

In termini numerici, per le acque di vegetazione (OMW), siamo riusciti a rimuovere tra il 40.6% e il 52.3% del COD a 1 bar di pressione, e tra il 38.9% e il 48.0% a 2 bar. Per il siero di latte (CWE), le percentuali sono state un po’ più basse: tra il 20.7% e il 30.8% a 1 bar e tra il 13.8% e il 29.1% a 2 bar. Questo ci dice due cose:

1. La microfiltrazione funziona, anche se magari come pre-trattamento, per ridurre il carico organico di queste acque difficili.
2. La natura stessa dell’acqua influisce molto: l’OMW sembrava rispondere leggermente meglio al trattamento MF rispetto al CWE in queste condizioni, nonostante avesse un COD iniziale leggermente più basso.

Abbiamo anche notato che aumentare la portata (la velocità con cui l’acqua scorre sulla membrana) tendeva a far aumentare il flusso di acqua pulita (il permeato), ma a diminuire leggermente l’efficienza di rimozione del COD. Questo è probabilmente dovuto alla maggiore turbolenza che “pulisce” la superficie della membrana ma forse trascina via qualche particella che altrimenti sarebbe stata trattenuta.

Andare Oltre l’Efficienza: La Cinetica, ovvero la “Velocità” del Processo

Ma conoscere solo l’efficienza finale non basta se vogliamo progettare impianti industriali efficienti ed ottimizzati. Dobbiamo capire come avviene la rimozione nel tempo, la sua “velocità”: questa è la cinetica del processo. È qui che entrano in gioco i modelli matematici.

Nello studio sono stati applicati tre modelli cinetici molto usati per descrivere la rimozione della sostanza organica:

• Modello Cinetico di Primo Ordine: Il più semplice, assume che la velocità di rimozione dipenda linearmente dalla concentrazione rimasta.
• Modello di Grau di Secondo Ordine: Un po’ più complesso, spesso usato per trattamenti biologici ma applicabile anche qui.
• Modello Modificato di Stover-Kincannon: Originariamente sviluppato per reattori a biofilm, lega la velocità di rimozione al carico organico applicato.

L’idea è stata: prendiamo i dati sperimentali (le concentrazioni di COD misurate in uscita a diversi tempi, pressioni e portate) e vediamo quale di questi modelli matematici riesce a “descriverli” meglio. Se un modello funziona bene, significa che possiamo usarlo per prevedere come si comporterà il sistema di microfiltrazione in diverse condizioni, senza dover fare mille esperimenti!

I Modelli “Vincitori” e Perché Sono Utili

E il verdetto? I modelli di Grau di Secondo Ordine e quello Modificato di Stover-Kincannon si sono rivelati i migliori! Come lo sappiamo? Guardando il coefficiente di correlazione (R²), un valore che ci dice quanto bene la linea del modello “fitta” i punti dei dati sperimentali. Per questi due modelli, l’R² era quasi sempre superiore a 0.96 (e spesso sopra 0.99!), sia per l’OMW che per il CWE. Un R² vicino a 1 significa una corrispondenza quasi perfetta!

Il modello di primo ordine, invece, pur dando risultati decenti (R² tra 0.95-0.99 per OMW e 0.78-0.97 per CWE se analizzato per ogni singola condizione), mostrava una correlazione più bassa quando si cercava di applicarlo a tutti i dati insieme, suggerendo che fosse meno “robusto” nel descrivere il comportamento generale del sistema al variare delle condizioni.

Cosa significa tutto questo in pratica? Significa che ora abbiamo delle “formule” (i modelli di Grau e Stover-Kincannon, con i loro specifici parametri calcolati dallo studio, come k2(S), a, b, Umax, KB) che possono aiutarci a:

• Progettare nuovi impianti di microfiltrazione per OMW e CWE in modo più accurato.
• Prevedere le prestazioni di un impianto esistente al variare delle condizioni operative (es. se cambio la pressione o la portata).
• Ottimizzare il funzionamento per ottenere la migliore rimozione possibile con il minor dispendio di energia o tempo.

Ad esempio, conoscendo le costanti del modello di Stover-Kincannon (Umax e KB), possiamo stimare la concentrazione di COD in uscita (Se) per una data concentrazione in ingresso (Si) e un certo tempo di filtrazione (θ). I valori più bassi di KB ottenuti per il CWE rispetto all’OMW, ad esempio, suggeriscono che il potenziale di trattamento con MF potrebbe essere leggermente inferiore per il siero di latte in queste condizioni.

Uno Sguardo al Futuro della Filtrazione

Questo studio, quindi, ci fornisce dati preziosi e modelli validati specificamente per la microfiltrazione di OMW e CWE. È un tassello importante, perché anche se esistono molti studi sul trattamento di queste acque con membrane, pochi si erano concentrati così nel dettaglio sulla cinetica della rimozione della materia organica proprio con la microfiltrazione.

Certo, la ricerca non si ferma qui. Sarebbe interessante vedere come questi modelli si comportano con diverse configurazioni di membrane, con acque reflue leggermente diverse (la composizione può variare!), o considerando altri parametri come la temperatura. Ma i risultati ottenuti sono già un ottimo punto di partenza e una conferma che la microfiltrazione, supportata da una buona modellazione cinetica, può essere uno strumento valido nella gestione sostenibile di reflui industriali complessi. Un piccolo passo tecnologico per un ambiente più pulito!

Fonte: Springer