Biomasse granulari aerobiche per il trattamento delle acque reflue : analisi sperimentale e modellistica dei fenomeni di granulazione

Biological treatment based on aerobic granular sludge is an innovative technology in the field of wastewater treatment for both civil and industrial applications that, although still emerging on a large scale, is a major research topic. The use of biomass in granular form, by its nature, leads to an optimization of performance and energy consumption compared to a conventional activated sludge plant, crucial factors for a sustainable integrated water resources management. Among the most relevant research topics, granular biomass modeling simulates the complex phenomena at the biofilm micro-scale that, if coupled with a reactor scale model, can provide an important tool for process management. This thesis work involves the analysis on two complementary aspects related to aerobic granular biomass, respectively addressed as follows: (i) experimental granulation activity, aimed to evaluate the stability of a granular biomass system developed from an activated sludge inoculum; (ii) modeling activity, aimed to simulate biological processes in the biofilm, governed by diffusive phenomena. Data analysis from literature referring to the granulation which was conducted on SBR reactors, has allowed to define a framework of operating conditions essential for a proper execution of the process. An initial experimental phase of system stability, characterized by granulation, was followed by a period of destabilization caused by the increase of heterotrophic activity, which led to the coexistence in the system of flocs and granular biomass. Therefore, a possible deficit in the reactor configuration has been proposed related to the imposed shear stress, which was insufficient to continuously support granulation. The development of an innovative simulation model set at the microscale has allowed to reproduce operating conditions to which the biofilm is exposed, evaluating the dynamics of bacterial competition and the quantification of substrates mass fluxes exchanged between the bulk liquid and the biofilm.

Il trattamento biologico basato sull’utilizzo di fango granulare aerobico è una tecnologia innovativa nel campo della depurazione delle acque in ambito civile e industriale che, seppur già in corso di diffusione su larga scala, costituisce un rilevante tema di ricerca. L’utilizzo di biomasse in forma granulare, per sua natura, porta ad un’ottimizzazione delle prestazioni e dei consumi energetici rispetto ad un impianto convenzionale a fanghi attivi, fattori determinanti nell’ottica di una gestione integrata sostenibile della risorsa idrica. Tra le tematiche di ricerca attualmente rilevanti, la modellazione di biomasse granulari simula i complessi fenomeni alla microscala del biofilm che, se integrata in un modello alla scala del reattore, può fornire un importante strumento di gestione del processo. Il presente lavoro di tesi focalizza l’analisi su due aspetti complementari relativi alle biomasse granulari aerobiche, così rispettivamente indirizzati: (i) attività sperimentale di granulazione, volta a valutare la stabilità di un sistema a biomassa granulare formatosi a partire da un inoculo di fango attivo; (ii) attività di modellazione, rivolta alla simulazione dei processi biologici nel biofilm, governati da fenomeni diffusivi. L’analisi dei dati di letteratura relativi alla granulazione condotta su reattori SBR ha permesso di definire un quadro di condizioni operative essenziali per un corretto svolgimento del processo. Ad una prima fase sperimentale di stabilità del sistema, caratterizzata dalla granulazione, è seguito un periodo di destabilizzazione causato dall’aumento di attività eterotrofa, che ha portato alla compresenza nel sistema di biomassa fioccosa e granulare. È stato quindi proposto un possibile deficit nella configurazione reattoristica in relazione allo sforzo di taglio imposto, insufficiente per supportare con continuità la granulazione. Lo sviluppo di un modello di simulazione innovativo impostato alla microscala ha consentito di riprodurre le condizioni operative a cui il biofilm risulta esposto, valutando le dinamiche di competizione batterica e la quantificazione dei flussi di massa dei substrati scambiati tra il bulk e il biofilm.