Il carbone attivo aggiunto a un bioreattore a membrana (membrane bioreactor, MBR) è un sistema ibrido in grado di migliorare la rimozione di microinquinanti organici (organic micropollutants, OMPs) nelle acque reflue. Nell’ottica in cui gli impianti di depurazione sono stati identificati come une delle principali fonti di OMPs nell’ambiente acquatico, le acque reflue ospedaliere hanno suscitato maggiore preoccupazione come fonte puntuale di questi contaminanti, in particolare di prodotti farmaceutici. La grande capacità di adsorbimento del carbone attivo in combinazione con la degradazione biologica e la separazione a membrana del MBR risulta un'opzione promettente per ottenere un effluente di alta qualità. Tuttavia, i numerosi fattori e meccanismi di influenza con cui è potenziata la rimozione degli OMPs non sono tuttora compressi appieno. Inoltre, in letteratura sono presenti pochi studi su MBR ibridi in full-scale. In questa tesi è stato proposto un MBR ibrido in situ aggiunto a carbone attivo in polvere (PAC) per rimuovere gli OMPs dalle acque reflue e ridurre l'impatto dell'effluente sul corpo idrico ricevente. Gli esperimenti sono stati condotti in un MBR full-scale che tratta principalmente acque reflue ospedaliere, con PAC aggiunto all’interno del serbatoio biologico con una concentrazione di 0.1 e 0.2 g/L. Le concentrazioni e le efficienze di rimozione di una vasta selezione di OMPs (232) sono state riportate, confrontate e discusse. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato dimostrato che l'aggiunta di PAC migliora la rimozione di diversi OMP, in particolare degli antibiotici e degli psicofarmaci. L'aumento della dose di PAC (da 0.1 g/L a 0.2 g/L) ha dimostrato di migliorare ulteriormente la qualità dell'effluente riducendo i carichi totali degli OMPs e il rischio ambientale nel corpo idrico ricevente. Inoltre, sono state condotte una revisione sistematica e una meta-analisi degli MBR accoppiati al carbone attivo per il trattamento delle acque reflue urbane e domestiche. I dati raccolti sulle efficienze di rimozione, le concentrazioni negli effluenti, le proprietà fisico-chimiche degli OMP, la configurazione del sistema e le condizioni operative applicate sono stati discussi e sottoposti ad analisi statistica. Di conseguenza, è stata effettuata una valutazione dettagliata dei fattori che influenzano la rimozione degli OMP in presenza di carbone attivo. Infine, l'adsorbimento di tre farmaci (diclofenac, sulfamethozaxole e trimethoprim) su PAC è stato studiato utilizzando modelli matematici applicati a esperimenti batch su scala di laboratorio. La capacità, i meccanismi e la cinetica di adsorbimento del PAC sono stati studiati in condizioni controllate. In particolare, sono state utilizzate quattro matrici acquose di crescente complessità: acqua Milli-Q, soluzione di acido umico, permeato e mixed liquor di un MBR. Si è dimostrato che l'adsorbimento è un processo cinetico complessivamente veloce che dipende dalla concentrazione iniziale del farmaco e dell'adsorbente. È stato osservato un effetto competitivo tra i composti presenti nella miscela, causando una diminuzione della capacità complessiva di adsorbimento del PAC. Inoltre, la composizione della matrice acquosa ha dimostrato di avere un effetto importante sull'adsorbimento dei composti selezionati. Per tutti i prodotti farmaceutici testati è stata riscontrata una diminuzione dell'adsorbimento nel mixed liquor, mentre nel caso della soluzione di acido umico, si è dimostrato un miglioramento dell'adsorbimento di alcuni composti, in particolare diclofenac e sulfamethoxazole.
Activated carbon coupled to a membrane bioreactor (MBR) is a novel hybrid system able to potentially enhance the removal of organic micropollutants (OMPs) in wastewater. In a context in which wastewater treatment plants (WWTPs) have been declared as the major sources of OMPs into the aquatic environment, hospital wastewater is a growing concern as a point source of these contaminants, especially of pharmaceuticals. The combination of the great adsorption capacity of the activated carbon with the biological degradation and membrane separation of the MBR results in a promising option to obtain a high-quality effluent. That being said, the numerous influencing factors and mechanisms by which OMP removal is enhanced are yet not fully understood. In addition, few research studies in full-scale hybrid MBRs have been reported in literature. In this thesis, an in-situ hybrid MBR coupled to powdered activated carbon (PAC) has been proposed to remove OMPs from wastewater and reduce the impact of the effluent on the receiving water body. The experiments were conducted in a full-scale MBR treating mainly hospital wastewater with 0.1 and 0.2 g/L of PAC added inside the biological reactor. The occurrence and removal efficiencies of a vast selection of OMPs (232) were reported, compared and discussed in a MBR and a hybrid MBR over a year time. Based on the results obtained, PAC addition was proved to enhance the removal of several OMPs, especially antibiotics and psychiatric drugs. The increase of the PAC concentration from 0.1 g/L to 0.2 g/L showed to further improve the quality of the effluent by reducing the total OMP loads and the environmental risk in the receiving water body. In addition to that, a systematic review and a meta-analysis were conducted about the state-of-the-art of MBRs coupled to activated carbon to treat urban and domestic wastewater. Collected data on the removal efficiencies, the effluent concentrations, the physicochemical properties of the OMPs, the system configuration and the operational conditions applied were discussed and subjected to statistical analysis. Consequently, a detailed assessment of the factors affecting the removal of the OMPs in presence of activated carbon was carried out. Finally, the adsorption of three pharmaceuticals (i.e., diclofenac, sulfamethoxazole and trimethoprim) onto PAC was studied using mathematical models applied to batch experiments at laboratory-scale. The PAC adsorption capacity, mechanisms and kinetics were investigated under controlled conditions. In particular, four water matrices of increasing complexity were used: Milli-Q water, humic acid solution, permeate and mixed liquor of an MBR. The adsorption was proved to be an overall fast kinetic process dependent on the initial concentration of the pharmaceutical and the adsorbent. A competitive effect was observed when compounds occur in a mixture, causing a decrease in the overall PAC adsorption capacity. Additionally, the composition of the water matrix proved to have a major effect on the adsorption of the selected compounds. Decreased adsorption was found in the mixed liquor for all tested pharmaceuticals, whereas the humic acids were proven to enhance the adsorption of certain compounds, namely diclofenac and sulfamethoxazole.
Advanced processes for the removal of organic micropollutants from wastewater by the addition of powdered activated carbon to membrane bioreactor
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2023
Abstract
Il carbone attivo aggiunto a un bioreattore a membrana (membrane bioreactor, MBR) è un sistema ibrido in grado di migliorare la rimozione di microinquinanti organici (organic micropollutants, OMPs) nelle acque reflue. Nell’ottica in cui gli impianti di depurazione sono stati identificati come une delle principali fonti di OMPs nell’ambiente acquatico, le acque reflue ospedaliere hanno suscitato maggiore preoccupazione come fonte puntuale di questi contaminanti, in particolare di prodotti farmaceutici. La grande capacità di adsorbimento del carbone attivo in combinazione con la degradazione biologica e la separazione a membrana del MBR risulta un'opzione promettente per ottenere un effluente di alta qualità. Tuttavia, i numerosi fattori e meccanismi di influenza con cui è potenziata la rimozione degli OMPs non sono tuttora compressi appieno. Inoltre, in letteratura sono presenti pochi studi su MBR ibridi in full-scale. In questa tesi è stato proposto un MBR ibrido in situ aggiunto a carbone attivo in polvere (PAC) per rimuovere gli OMPs dalle acque reflue e ridurre l'impatto dell'effluente sul corpo idrico ricevente. Gli esperimenti sono stati condotti in un MBR full-scale che tratta principalmente acque reflue ospedaliere, con PAC aggiunto all’interno del serbatoio biologico con una concentrazione di 0.1 e 0.2 g/L. Le concentrazioni e le efficienze di rimozione di una vasta selezione di OMPs (232) sono state riportate, confrontate e discusse. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato dimostrato che l'aggiunta di PAC migliora la rimozione di diversi OMP, in particolare degli antibiotici e degli psicofarmaci. L'aumento della dose di PAC (da 0.1 g/L a 0.2 g/L) ha dimostrato di migliorare ulteriormente la qualità dell'effluente riducendo i carichi totali degli OMPs e il rischio ambientale nel corpo idrico ricevente. Inoltre, sono state condotte una revisione sistematica e una meta-analisi degli MBR accoppiati al carbone attivo per il trattamento delle acque reflue urbane e domestiche. I dati raccolti sulle efficienze di rimozione, le concentrazioni negli effluenti, le proprietà fisico-chimiche degli OMP, la configurazione del sistema e le condizioni operative applicate sono stati discussi e sottoposti ad analisi statistica. Di conseguenza, è stata effettuata una valutazione dettagliata dei fattori che influenzano la rimozione degli OMP in presenza di carbone attivo. Infine, l'adsorbimento di tre farmaci (diclofenac, sulfamethozaxole e trimethoprim) su PAC è stato studiato utilizzando modelli matematici applicati a esperimenti batch su scala di laboratorio. La capacità, i meccanismi e la cinetica di adsorbimento del PAC sono stati studiati in condizioni controllate. In particolare, sono state utilizzate quattro matrici acquose di crescente complessità: acqua Milli-Q, soluzione di acido umico, permeato e mixed liquor di un MBR. Si è dimostrato che l'adsorbimento è un processo cinetico complessivamente veloce che dipende dalla concentrazione iniziale del farmaco e dell'adsorbente. È stato osservato un effetto competitivo tra i composti presenti nella miscela, causando una diminuzione della capacità complessiva di adsorbimento del PAC. Inoltre, la composizione della matrice acquosa ha dimostrato di avere un effetto importante sull'adsorbimento dei composti selezionati. Per tutti i prodotti farmaceutici testati è stata riscontrata una diminuzione dell'adsorbimento nel mixed liquor, mentre nel caso della soluzione di acido umico, si è dimostrato un miglioramento dell'adsorbimento di alcuni composti, in particolare diclofenac e sulfamethoxazole.| File | Dimensione | Formato | |
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embargo fino al 27/04/2026
Descrizione: Tesi
Tipologia:
Tesi di dottorato
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