Sviluppo di tecnologie per la riduzione bioelettrochimica di cromo esavalente

Hexavalent chromium is a heavy metal which shows a high toxicity and carcinogenicity. Its presence in contaminated soils and groundwater, often linked to industrial processes and incorrect wastewater management, is a threat for human health and environment. It is possible to remove Cr(VI) using remediation technologies and reducing health and environmental risks. The most traditional remediation technologies are based on the reduction of Cr(VI) to Cr(III) through physico-chemical processes or stimulating microbiological processes with the injection of reactives, nutrients and/or electron donors. The environmental sustainability of these technologies is affected by the injection of substances which can have an impact on groundwater natural condition, if not properly controlled. An alternative could be the use of bioelectrochemical systems, a technology which allows to stimulate the biotransformation of contaminants without the introduction of substances in groundwater. These systems exploit the presence of microorganisms, which are able to catalyze redox reactions and use solid electrodes as electron donors and acceptors. In this thesis, the Cr(VI) removal from synthetic groundwater is evaluated through different bioelectrochemical system (BES) configurations. The experimentation included both batch and continuous flow bioelectrochemical reactors. At the beginning, three batch bioelectrochemical systems, each made of two chamber reactors (Microbial Fuel Cells, MFCs), were developed with different types of inoculum in order to develop electroactive biofilms and to evaluate Cr(VI) removal. These systems did not provide very satisfying results in terms of Cr(VI) removal maybe due to lack of electroactive autotrophic species in the cathodic inoculum. Afterwards, three batch Microbial Electrolysis Cells (MECs) were implemented with a polarized biocathode (-500 mV vs Ag/AgCl) to evaluate Cr(VI) removal. These systems, set up in three different configurations (only biocathode, only inoculum in solution, both biocathode and inoculum) showed a more efficient bioelectrochemical Cr(VI) removal, proving to be a promising experimental technology. The final experimental stage concerned the implementation of a continuous flow MEC, similar to the previous batch configurations, in order to approach a possible field application. Cathodic currents monitoring and chemical analysis results did not allow to observe an effective bioelectrochemical Cr(VI) removal. This system is an important development in the bioelectrochemical processes research, since in literature there are only few studies about continuous flow BES. The next goal is the optimization of system configuration and a better comprehension of microbiological aspects, which are involved in the bioelectrochemical process.

Il cromo esavalente è un metallo pesante caratterizzato da una elevata tossicità e cancerogenicità. La sua presenza in suoli e acque di falda contaminati ad alte concentrazioni, spesso legata a processi industriali o ad un’errata gestione dei reflui, pone una minaccia per la salute umana e l’ambiente. Grazie all’impiego di tecniche di bonifica è possibile rimuovere il Cr(VI), riducendo i rischi sanitari ed ambientali connessi. Le tecnologie di bonifica maggiormente diffuse si basano sulla riduzione del Cr(VI) a Cr(III) tramite l’impiego di processi chimico-fisici oppure stimolando processi microbiologici con l’introduzione di reattivi, nutrienti e/o donatori di elettroni. La sostenibilità ambientale di queste tecnologie è influenzata dalla necessità di iniettare in falda sostanze che, se non controllate adeguatamente, possono determinare impatti rilevanti sulle condizioni di falda. Una strategia alternativa alle consuete tecnologie di bonifica potrebbe essere l’utilizzo di sistemi bioelettrochimici (BES) che permettono di stimolare la biotrasformazione dei contaminanti senza necessità di introdurre sostanze estranee nelle acque di falda. Questi sistemi sfruttano, infatti, l’abilità di alcuni microrganismi di catalizzare reazioni di ossido-riduzione, utilizzando elettrodi solidi come accettori e donatori di elettroni. Nel presente elaborato si è valutata la rimozione di Cr(VI) da un’acqua di falda sintetica, attraverso l’allestimento di sistemi bioelettrochimici (BES) in diverse configurazioni. La sperimentazione ha compreso sia prove in reattori bioelettrochimici in batch che in continuo. Sono state inizialmente allestite delle celle a combustibile microbiche (MFCs) a doppia camera sia i) con catodo abiotico per lo sviluppo, all’anodo, di biofilm elettroattivi sugli elettrodi da poter impiegare nelle fasi successive della ricerca, sia ii) con biocatodi inoculati con campioni da impianti di digestione anaerobica o di terreno proveniente da un sito contaminato da cromo esavalente, per condurre prove di rimozione del Cr(VI). Le prove di riduzione di Cr(VI) in MFC, forse per assenza di specie autotrofe elettroattive negli inoculi catodici, hanno fornito risultati poco soddisfacenti con assenza di produzione di corrente e di rimozione significativa del Cr(VI). Successivamente sono state allestite tre celle di elettrolisi microbiche (MEC) in batch, a doppia camera, con biocatodo polarizzato (/- 500 mV vs Ag/AgCl) per valutare l’efficienza di rimozione del Cr(VI) in condizioni di potenziale di lavoro imposto. Questi sistemi, allestiti in tre diverse configurazioni, con solo elettrodo inoculato, solo inoculo in soluzione ed elettrodo inoculato con inoculo in soluzione, hanno consentito di osservare, specialmente nei casi con elettrodo già inoculato, una più efficace rimozione per via bioelettrochimica del Cr(VI). Queste prove hanno dimostrato come sistemi bioelettrochimici in adeguate condizioni operative rappresentino una tecnologia innovativa promettente anche per il trattamento di Cr(VI). La fase finale della sperimentazione ha indagato un sistema MEC, analogo a quelli utilizzati in batch, in condizioni di alimentazione continua, allo scopo di avvicinarsi gradualmente alle possibili applicazioni. Il monitoraggio delle correnti catodiche e i risultati delle analisi chimiche, durante la prova a flusso continuo, non hanno consentito di osservare una rimozione bioelettrochimica significativa del Cr(VI). Tale sistema ha però fornito informazioni utili per proseguire lo sviluppo e le ricerche su questa tecnologia, anche in considerazione del numero limitato di studi di BES in continuo per la rimozione di Cr(VI) riportati in letteratura. I futuri obiettivi del lavoro riguardano l’ottimizzazione della configurazione realizzata e la migliore comprensione degli aspetti microbiologici che intervengono nel processo bioelettrochimico.