Sfruttare le acque reflue comunali come risorsa

Le nostre acque reflue non sono solo sporcizia ed escrementi. Contengono anche preziose materie prime, come azoto e composti organici di carbonio. È possibile utilizzare metodi chimici, biologici e fisici per recuperare idrogeno, ammonio e poliidrossialcanoati (PHA). L'ammonio recuperato può essere utilizzato come fertilizzante azotato per l'agricoltura, mentre i PHA sono la materia prima per le bioplastiche. Questi processi sono l'oggetto di studio dei ricercatori che lavorano al progetto KoalAplan. Il lavoro di ricerca interdisciplinare dei partner del progetto si svolge presso l'impianto di ricerca sul trattamento delle acque reflue gestito dall'Università di Stoccarda a Büsnau. Lavorando in condizioni reali, i partner stanno testando come le materie prime possano essere recuperate dagli impianti di trattamento delle acque reflue. A tal fine, è stata allestita una bioraffineria come impianto pilota. Nel 2024 ha funzionato per più di sei mesi.

Come aggirare la rimozione biologica dell'azoto

Uno dei metodi stabiliti nel progetto, il metodo del flusso primario, prevede il trattamento delle acque reflue dopo una preventiva separazione dei solidi durante la chiarificazione primaria. In un impianto di trattamento delle acque reflue tradizionale, l'azoto presente nelle acque reflue viene rimosso biologicamente. I microrganismi convertono i composti azotati in azoto gassoso (gas serra), che fuoriesce inutilizzato nell'atmosfera. Nel progetto KoalAplan, invece, l'azoto non va perso. Al contrario, viene recuperato come materia prima rimuovendo fisicamente l'ammonio con un filtro a zeolite o un sistema a scambio ionico. Successivamente, l'azoto viene recuperato rigenerando il filtro di zeolite, producendo una soluzione concentrata di ammonio che può essere utilizzata in agricoltura come fertilizzante azotato.

Recupero del carbonio organico dai solidi presenti nelle acque reflue

In un impianto di trattamento delle acque reflue municipali tradizionale, gran parte dei solidi presenti nelle acque reflue viene separata attraverso la sedimentazione durante la chiarificazione primaria. Questo "fango primario" viene fermentato in una torre di digestione, producendo metano. Nel concetto di bioraffineria, invece, viene sottoposto a una fermentazione al buio, con l'arresto del processo di degradazione nella fase di produzione di acidi organici a catena corta. Dopo una separazione solida in due fasi, si produce un idrolizzato privo di particelle. Questo idrolizzato è ricco di acidi organici a catena corta e può essere utilizzato per diversi scopi. Il progetto KoalAplan esplora queste potenzialità, ad esempio l'elettrolisi microbica per la produzione di idrogeno e la produzione microbica di PHA. "Il nostro lavoro al Fraunhofer IGB è stato quello di utilizzare la fermentazione per convertire l'idrolizzato in PHA, un biopolimero batterico termoplastico e biodegradabile", spiega Pravesh Tamang, scienziato senior per i PHA e ricercatore al Fraunhofer IGB.

Idrolizzato acido convertito in PHAs

I PHA vengono generalmente prodotti utilizzando microrganismi che possono crescere su un'ampia gamma di substrati diversi. I microrganismi utilizzano l'idrolizzato, ricco di acidi organici come l'acido acetico, propionico e butirrico, come fonte di carbonio ed energia. "I batteri hanno bisogno degli acidi organici per crescere e produrre i PHA", spiega Tamang. Dove sta il problema? Se questi acidi organici sono presenti in concentrazioni troppo elevate, hanno effetti tossici sui microrganismi. Il primo passo di Tamang e del suo team è stato quindi quello di identificare ceppi di batteri in grado di utilizzare gli acidi sia per la propria crescita che per la produzione di PHAs. "Rispetto agli altri batteri testati, Cupriavidus necator si è dimostrato il batterio più tollerante a contatto con gli acidi organici", spiega Tamang.

Per evitare che gli acidi ostacolino la crescita dei microrganismi, i ricercatori hanno anche sviluppato un metodo di perfusione con ritenzione delle cellule nel bioreattore. La ritenzione delle cellule avviene grazie a uno speciale filtro che assicura che le cellule o i microrganismi rimangano nel reattore, consentendo un'elevata densità cellulare e un tempo di coltura più lungo. Tamang spiega il processo: "Facciamo passare il brodo di fermentazione dal bioreattore attraverso un filtro a flusso incrociato e poi reimmettiamo nel reattore le cellule con i granuli di PHA trattenuti nel filtro. Questa ritenzione cellulare ci ha permesso di immettere concentrazioni di acidi variabili. Il biopolimero viene estratto dalle cellule batteriche alla fine della fermentazione".

Un copolimero PHA ricercato per una serie di applicazioni

I ricercatori del Fraunhofer IGB sono riusciti a utilizzare il loro metodo di perfusione per evitare che la crescita batterica fosse inibita. Hanno dimostrato che il 97% del carbonio degli acidi organici è stato utilizzato dai microrganismi e convertito in biomassa e PHA. "Il nostro prodotto PHA è un copolimero di poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossivalerato), o PHBV, appositamente regolato. Rispetto a un omopolimero, presenta proprietà meccaniche migliori. Questo perché contiene circa il dieci per cento di 3-idrossivalerato, che riduce la cristallinità e rende il materiale più flessibile, più facile da modellare e più versatile", spiega Tamang.

Come prossimo passo, Tamang e il suo team intendono ottimizzare il processo di fermentazione per produrre PHBV con una concentrazione di 3-idrossivalerato ancora più elevata (dal 40 al 70%). Questi copolimeri di PHBV, appositamente adattati, potranno poi essere utilizzati dai chimici dei polimeri e dagli esperti di applicazioni industriali come campioni per testare le proprietà dei materiali del biopolimero e scoprire nuovi potenziali campi di applicazione. Le materie prime ecologiche prodotte da questo processo possono essere utilizzate in vari modi: come imballaggi monouso, pellicole per la pacciamatura in agricoltura, nell'industria farmaceutica, o anche per impianti medici o rivestimenti tessili a base biologica.

Il recupero delle materie prime contribuisce alla neutralità climatica

In genere, l'anidride carbonica viene prodotta quando il carbonio organico viene rimosso attraverso un impianto di trattamento delle acque reflue. Il metodo sviluppato nell'ambito del progetto riduce le emissioni di questo gas che provoca il riscaldamento globale. "Allo stesso tempo, produciamo anche materie prime che contribuiscono a sostituire i prodotti a base di petrolio. In questo modo, gli impianti di trattamento delle acque reflue del futuro possono dare un importante contributo alla neutralità climatica", spiega Tamang.

Partner del progetto:
- Associazione tecnico-scientifica tedesca per il gas e l'acqua (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, DVGW) centro di ricerca presso l'Engler-Bunte-Institut dell'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT) (coordinamento, produzione dell'idrolizzato acido e privo di particelle, produzione di idrogeno mediante elettrolisi microbica)
- Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB (produzione di PHA)
- CUTEC Clausthal Research Center for Environmental Technologies presso l'Università di Tecnologia di Clausthal, Dipartimento di ingegneria dei processi delle acque reflue (supporto scientifico e impronta di carbonio)
- Università di Tecnologia di Amburgo (TUHH), Istituto di Microbiologia Tecnica (produzione di idrogeno mediante elettrolisi microbica)
- Umwelttechnik BW GmbH, agenzia statale per la tecnologia ambientale e l'efficienza delle risorse nel Baden-Württemberg (relazioni pubbliche e utilizzo dei risultati)
- Università di Stoccarda, Istituto per l'Ingegneria Sanitaria, la Qualità dell'Acqua e la Gestione dei Rifiuti Solidi - insegnamento e ricerca impianto di trattamento delle acque reflue (recupero dell'ammonio)