Sviluppo di un sensore per l'individuazione real time del fouling in reti di distribuzione dell'acqua potabile

One of the greatest challenges in drinking water distribution is the preservation of water quality along the distribution network. This challenge implies the maintaining of chemical and microbiological stability of water, namely the need of local control of (i) deposits of inorganic compounds and (ii) bacterial regrowth. In the present work, an innovative miniaturized sensor was developed to monitor the formation of slime in pipes due to calcium carbonate precipitation and biofilm growth. A set of closely spaced microelectrodes (10µm), employed for impedance mapping (20 Hz-2 MHz), was used to monitor deposits of micrometric thickness. As for scaling, batch experiments were performed submerging electrodes in different volumes (10, 15, 20, 25, 30 mL) of a saturated solution of calcium carbonate (CaCO3) for 8 hours at 70°C. As for biofilm formation, a Sequencing Batch Reactor (SBR) was adopted, inoculated with activated sludge from Milano Nosedo wastewater treatment plant, to create conditions for easy and quick bacteria adhesion on electrode surface. Electrodes have been submerged in the reactor for different contact times (2, 3, 4 weeks). A very good correlation was found between impedance signal and slime thickness of inorganic or biological nature. Furthermore, to investigate bacterial regrowth process in drinking water distribution systems, multicomponent reaction transport model has been implemented adapting kinetic equations to describe the hydraulic behavior of a pilot scale pipe loop. In particular, numerical simulations were carried out at different operating condition to study the variation of system components described by the model: substrate, suspended, and attached biomass. Finally, uncertainty analysis was conducted on the model by varying kinetics input parameters.

Al fine di preservare la qualità dell’acqua lungo la rete di distribuzione è necessario un controllo distribuito, entro la stessa, relativo a: (i) formazione di depositi inorganici e (ii) ricrescita batterica. Nel presente lavoro è stato sviluppato un sensore miniaturizzato in cui una fitta maglia di microelettrodi in oro, distanti 10 m, viene impiegata per mappare il segnale di impedenza (da 20 Hz a 2 MHz) e determinare lo spessore del deposito superficiale. Per simulare la formazione del deposito inorganico, gli elettrodi sono stati immersi in differenti volumi (15, 20, 25, 30 mL) di soluzione satura di carbonato di calcio (CaCO3) e introdotti in stufa per 8 ore ad una temperatura di 70°C. Per quanto riguarda invece il deposito biologico, è stato realizzato un Sequencing Batch Reactor, nel quale è stato introdotto fango attivo prelevato dall’impianto di Milano Nosedo, immergendo gli elettrodi al suo interno per differenti tempi di contatto (2, 3, 4 settimane). E’ stata ottenuta una buona correlazione tra il segnale di impedenza e la misura dello spessore, sia nel caso di deposito inorganico, sia in quello biologico. Inoltre, per comprendere in maniera più dettagliata i processi influenzanti la crescita batterica nel sistema di distribuzione di acqua potabile, è stato implementato un modello multicomponente di crescita batterica, adattandone le equazioni cinetiche al comportamento idraulico di un impianto pipe loop a scala pilota. Sono state effettuate simulazioni in differenti scenari per studiare la variazione delle differenti componenti analizzate dal modello (substrato, disinfettante, biomassa sospesa e adesa). Infine è stata effettuata l’analisi di incertezza del modello facendo variare alcuni parametri in ingresso e individuando gli intervalli di variazione delle differenti componenti.