Pirite

Aug 31, 2023

npj Clean Water volume 6, Numero articolo: 59 (2023) Citare questo articolo

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La contaminazione da nitrati e microbica delle acque sotterranee può verificarsi in paesi che devono affrontare un’intensa urbanizzazione e servizi igienico-sanitari inadeguati. Quando le acque sotterranee rappresentano la principale fonte di acqua potabile, come spesso accade in questi paesi, la necessità di rimuovere questi contaminanti diventa acuta. Qui viene proposta la combinazione di due tecnologie, una fase biologica per denitrificare e una fase elettrochimica per disinfettare le acque sotterranee, con l’obiettivo di ridurre l’input chimico e l’impronta del trattamento delle acque sotterranee. Pertanto, è stato costruito un reattore a letto fluidizzato a base di pirite (P-FBR) per denitrificare autotroficamente le acque sotterranee inquinate. L'effluente P-FBR è stato disinfettato in una cella elettrochimica con Cl2 elettrogenerato. Il nitrato è stato rimosso con un'efficienza del 79% da 178 mg NO3− L−1 iniziali ad un tasso di denitrificazione medio di 171 mg NO3− L−1 d−1, con tempo di ritenzione idraulica (HRT) di 18 ore. L'unità elettrochimica ha ottenuto una riduzione di 3,8 log dei coliformi totali con una densità di carica di 41,7 A hm−3.

Le acque sotterranee costituiscono la principale fonte di acqua potabile nei paesi a basso reddito, soprattutto nei paesi sub-sahariani, dove la quota per i settori agricolo e industriale è bassa, nonché in paesi come l’Irlanda e il Regno Unito, dove questi settori sono principalmente alimentati dalla pioggia1,2 . I principali fattori che determinano il deterioramento della qualità delle acque sotterranee sono le scarse strutture igienico-sanitarie, il rilascio incontrollato di acque reflue domestiche e industriali trattate, l’allevamento di bestiame con spargimento incontrollato di letame e intense attività di fertilizzazione. Le condizioni locali possono intensificare l’inquinamento delle acque sotterranee, come le falde acquifere vulnerabili e l’intensificazione delle condizioni meteorologiche estreme1,3,4,5.

Concentrazioni elevate di nitrato (NO3−), cloruro (Cl−), nonché indicatori microbici come coliformi fecali e totali (TC) suggeriscono un inquinamento antropogenico delle acque sotterranee. Concentrazioni di nitrati fino a 500 mg NO3− L−1 sono state segnalate nelle aree periurbane dei paesi a basso reddito, insieme a 300 mg Cl− L−1 e 2 log CFU 100 mL−1 di Escherichia coli (E. coli) e 4 log CFU 100 mL−1 TC4,5,6. Le concentrazioni variano ampiamente in base alle condizioni geologiche locali e alla fonte di contaminazione. Per contrastare le malattie trasmesse dall’acqua, l’OMS ha fissato un massimo di 50 mg di NO3−L−1 e 0 CFU 100 ml−1 per TC nell’acqua potabile7.

Le acque sotterranee sono povere di contenuto organico, pertanto gli schemi di trattamento convenzionali che includono la denitrificazione eterotrofica non sono finanziariamente sostenibili. Un’opzione è quella di puntare alla denitrificazione autotrofa delle acque sotterranee con donatori di elettroni come gas idrogeno (H2), zolfo elementare (S0), solfuro (HS−), tiosolfato (S2O32−), ferro ferroso (Fe2+) o anche pirite (FeS2)8, 9. In base alle rispettive equazioni stechiometriche, le capacità di denitrificazione vanno da 2,5 g NO3−-N g−1 e− donor per H2 a 0,05 e 0,1 g NO3−-N g−1 e− donor per il ferro ridotto (Fe2+ e Fe0)9, 10. La denitrificazione guidata dalla pirite avviene naturalmente nelle falde acquifere11,12,13,14 e l'ossidazione di FeS2 è accoppiata alla riduzione microbica di NO3 in azoto gassoso (N2), con un rapporto stechiometrico di 3 mol di NO3:1 mol di FeS2, accompagnato dalla produzione di 2 mol di SO42 − 12,15. Inoltre, il FeS2 è stato utilizzato nel trattamento delle acque reflue a basso contenuto di C/N16,17, nonché nella denitrificazione delle acque sotterranee, principalmente nei test in bottiglia18,19. La pirite è un minerale onnipresente e a basso costo che si trova spesso come prodotto di scarto delle attività minerarie20. Inoltre, durante la denitrificazione del FeS2 viene mantenuto un pH quasi neutro, con conseguente minimizzazione degli input chimici per questo processo17,18.

Oltre alla denitrificazione, sono necessarie fasi di depurazione per fornire acqua potabile o per l'irrigazione sicura, poiché la carica microbica dell'effluente denitrificato non ne consentirà il consumo diretto o il riutilizzo21. Finora sono state utilizzate diverse pratiche di disinfezione per lucidare gli effluenti del trattamento dell'acqua e l'ossidazione chimica, con cloro libero, ozono (O3) o UV, è generalmente preferita per il riutilizzo dell'acqua potabile22. Tuttavia, si stanno cercando metodi di disinfezione alternativi per rendere il processo di trattamento indipendente dagli agenti chimici e dalla rete, compresa la disinfezione elettrochimica, nota anche come elettroclorazione quando l'agente chimico prodotto è il cloro libero23. Nell'elettroclorazione, gli ioni cloruro (Cl−) naturalmente contenuti nelle acque sotterranee vengono ossidati in cloro (Cl2) sulla superficie di un elettrodo, quando viene applicata una fonte di corrente costante da una fonte di alimentazione esterna24,25. Il Cl2 prodotto si mescola con l'elettrolita sfuso e subisce idrolisi, producendo due potenti disinfettanti: acido ipocloroso (HOCl) e ipoclorito (OCl−). Il rapporto tra i due è determinato dal pH della soluzione26,27. La disinfezione elettrochimica è stata testata per il trattamento diretto delle acque sotterranee o di irrigazione contaminate da agenti patogeni28,29,30, ma anche come fase di lucidatura degli effluenti dei bioreattori27,31. L'efficienza della disinfezione dipenderà dal materiale dell'anodo, dalla concentrazione di Cl− dell'elettrolita, dal pH e dal contenuto di sostanze organiche e ammoniaca dell'acqua da trattare22.