Biofilm nelle reti idriche : sviluppo e testing di un sensore innovativo

To avoid water quality deterioration along the distribution networks, due to organic and inorganic deposits, and the onset of hygienic and operational inconveniences, continuous monitoring of chemical and biological stability is required. The experimental activities performed during the thesis activity are part of the Dirty Sensing project, aimed at the development of a miniaturized sensor able to identify and quantify pipe fouling in real-time through impedimetric measures. The goal was to upgrade some of these sensors to observe the biofilm growth in dedicated reactors, correlating the electrical resistance to the effective thickness of the biofilm itself. Impedance variations were analyzed using two kinds of electrodes: PCBWay Hardgold and DropSens IDEAU200. Thus, three Propella reactors were built to accommodate, surrounded by a liquid flow, these sensors. Operating conditions were selected to combine a good similarity of real pipelines with a biofilm increase compatible with the experimental campaign duration. Some preliminary analyses allowed to choose the best conditions for biomass development and sensors operational window. During the experiments, biocorrosion problems emerged on the first typology of electrodes, while the second showed a decreasing trend of the impedance – caused by biofilm formation. This correlation was verified utilizing an optical profilometer that permitted to obtain an estimate of the biofilm thickness on the sensors. This work has displayed the applicability of sensors in circumstances similar to those of real pipelines, laying the foundation for a more in-depth study about the relationship between slime and electrical response variation. It may be necessary to investigate the behavior of the impedance variation based on the biofilm morphology and verify the thickness limit beyond which such parameter remains constant.

Per evitare che la qualità dell’acqua subisca un deterioramento lungo la rete di distribuzione a causa della formazione di depositi organici e inorganici, e induca l’insorgenza di disturbi igienici e operativi, è auspicabile un controllo continuo della sua stabilità chimica e biologica. Gli studi intrapresi durante l’attività di tesi si inseriscono nel progetto Dirty Sensing, volto allo sviluppo di un sensore miniaturizzato che, sfruttando misure impedimetriche, risulti in grado di identificare e quantificare lo sporcamento delle tubature in tempo reale. Nel lavoro si sono adattati alcuni di questi sensori per misurare la crescita del biofilm in reattori dedicati, allo scopo di correlare la misura elettrica con lo spessore effettivo di biofilm presente. Nell’ambito di questo lavoro sono state analizzate le variazioni di impedenza su due tipologie di elettrodi: PCBWay Hardgold e DropSens IDEAU200. Pertanto, sono stati realizzati tre reattori di tipo Propella in cui esporre i sensori al flusso liquido. Sono state applicate condizioni operative tali da coniugare una buona similitudine alle condutture reali e una crescita di biofilm compatibile ai tempi della sperimentazione. Alcune analisi preliminari hanno permesso di individuare il contesto più adatto per la crescita del biofilm e per il funzionamento dei sensori. Nel corso delle prove di sporcamento, sul primo tipo di elettrodi sono emersi problemi di biocorrosione, mentre sul secondo si sono manifestati andamenti dell’impedenza decrescenti in corrispondenza della formazione di biofilm. Questa correlazione è stata verificata utilizzando un profilometro ottico che ha consentito di ottenere una stima dell’estensione dello strato di biofilm sviluppatosi sulla superficie dei sensori. Il presente lavoro ha mostrato l’applicabilità dei sensori in condizioni simili a quelle presenti nelle condotte reali e pone le basi per uno studio più approfondito della relazione tra deposito e variazione di risposta elettrica. Infatti, potrebbe essere necessario approfondire il comportamento della variazione di impedenza in funzione della morfologia del biofilm e verificare la presenza di un eventuale limite raggiungibile di spessore oltre al quale la misura non vari.