L'effetto del sistema combinato di cavitazione idrodinamica, ozono e perossido di idrogeno sulla rimozione della clorofilla a e delle sostanze organiche nell'acqua grezza

Jun 05, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10102 (2023) Citare questo articolo

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Livelli aumentati di nutrienti e alghe possono causare problemi di acqua potabile nelle comunità. Le fioriture algali dannose colpiscono gli esseri umani, i pesci, i mammiferi marini, gli uccelli e altri animali. Nel presente studio, abbiamo studiato l'uso di un sistema combinato [cavitazione idrodinamica, ozono (O3) e perossido di idrogeno (H2O2)] per la rimozione della clorofilla a e delle sostanze organiche nell'acqua non depurata. È stato studiato l'effetto di diverse condizioni operative quali pH, tempo di cavitazione, pressione, distanza, portata, dose di ozono e concentrazione di perossido di idrogeno. Utilizzando il metodo di progettazione Taguchi, gli esperimenti sono stati pianificati e ottimizzati. Il trattamento del sistema combinato ha prodotto una riduzione massima della clorofilla a e del carbonio organico totale (TOC) in una condizione ottimale di pH 5, pressione di cavitazione 5 bar, portata di 1 m3/h, una distanza di 25 cm dall'orifizio, O3 3 g/h e 2 g/l di concentrazioni di H2O2. Il fattore più efficiente nella degradazione del TOC e della clorofilla a è stata la pressione di cavitazione basata sui contributi percentuali di ciascun parametro (rispettivamente 38,64% e 35,05%). È stato riscontrato che l’H2O2 ha l’impatto più trascurabile sull’efficienza di degradazione (rispettivamente 4,24% e 4,11%).

Nel corso del tempo, tutta l’acqua passa gradualmente verso l’eutrofizzazione a causa della rapida crescita della popolazione, dell’espansione dell’agricoltura e dell’industria, della diminuzione delle risorse di acqua dolce, del degrado delle foreste, dell’erosione del suolo, dei cambiamenti climatici e delle ripetute siccità. Un risultato essenziale di questo processo è una generale diminuzione della disponibilità di acqua per l'uso e un aumento dell'importanza dei laghi e degli altri bacini idrici; di conseguenza, molte risorse per lo sviluppo socioeconomico potrebbero essere seriamente compromesse1. Le fioriture algali possono essere innescate da una diminuzione dell’approvvigionamento idrico, da una diminuzione della profondità dei laghi e dei bacini artificiali, da un aumento della stagnazione, da un aumento dei nutrienti provenienti da diverse fonti e da un aumento della temperatura2,3. Numerosi problemi derivano dalle sostanze algali presenti nell'acqua, tra cui (1) pH, alcalinità, durezza, ossigeno disciolto e materia organica, (2) L'aumento della dose di coagulazione, (3) Indicatori fisici della qualità dell'acqua, come colore, sapore , odore e torbidità, con conseguente deterioramento, (4) ostruzione del filtro e riduzione del funzionamento del filtro, (5) la domanda di cloro è in aumento e vengono prodotti sottoprodotti della disinfezione, (6) le alghe causano anche altri problemi come la formazione di uno strato viscido e gelatinoso, corrosivo e interferenza con altri processi di depurazione, (7) Al contatto diretto, alcuni tipi di alghe possono irritare la pelle e scatenare reazioni allergiche; Tuttavia, è noto che diverse alghe producono tossine dannose che sono mortali per le persone e possono persino provocare la morte in alcuni casi estremi4,5,6,7,8,9. Questi problemi possono rendere l’acqua filtrata sgradevole e dannosa; d’altro canto, possono anche aumentare il prezzo della depurazione dell’acqua potabile aggiungendo più sostanze chimiche, nonché aumentando il carico di lavoro per i lavoratori degli impianti di trattamento9.

Un indicatore importante utilizzato per descrivere la biomassa che utilizza energia luminosa ed è autotrofa è la concentrazione di clorofilla-a. È un parametro cruciale che riflette lo stato dei nutrienti dei corpi idrici e può essere utilizzato per stimare la biomassa e la produttività del fitoplancton. A causa delle loro dimensioni ridotte, elevata mobilità, bassa densità e superficie caricata negativamente, le cellule algali in molti impianti di trattamento delle acque esistenti non possono essere rimosse o trattate5,10,12. Le alghe provenienti da fonti d'acqua vengono controllate utilizzando varie tecniche fisiche, chimiche e biologiche. L'aerazione, la flottazione dell'aria disciolta, la filtrazione, la schiumatura, la miscelazione, i processi a membrana, l'ultravioletto, gli ultrasuoni, l'elettrolisi e altre tecniche correlate vengono utilizzate per prevenire le alghe dannose utilizzando il metodo di controllo fisico. La gestione della popolazione algale può essere realizzata attraverso processi biologici come filtri lenti a sabbia o fanghi attivi. I principali processi chimici sono la coagulazione, il solfato di rame, il carbone attivo, le nanoparticelle, l'ossidazione, il perossido di idrogeno e la clorazione13,14,15,16,17,18,19. La maggior parte delle sostanze chimiche, tuttavia, sono troppo costose e troppo generiche e danneggiano gli organismi acquatici che non sono i loro obiettivi previsti. La maggior parte dei tipi chimici tossici non sono specie-specifici, il che può danneggiare l’equilibrio ecologico. Il potenziale di danno ambientale derivante da un'applicazione chimica impropria è inferiore a quello derivante dalla miscelazione artificiale. La tecnologia di aerazione può presentare degli inconvenienti dovuti agli elevati costi di manutenzione (costo della manodopera) e al consumo energetico necessario, e non uccide le alghe. Inoltre, le piante acquatiche aggiungono molti agenti ossidanti, il che significa che i sottoprodotti di disinfezione che producono sono superiori al livello richiesto. Il costo operativo della rimozione delle alghe nell’impianto idrico mediante filtrazione a membrana, flottazione ad aria e altre tecniche è elevato quando la quantità di alghe nell’acqua è elevata. Il residuo Al/Fe nell’acqua trattata talvolta supera il limite superiore degli standard idrici, il che rappresenta una seria minaccia per la salute umana, anche se l’uso di sostanze chimiche per rimuovere le alghe provoca un inquinamento secondario. Ma l’ossidazione dei cianobatteri può causare la lisi cellulare. Quando la materia organica intracellulare (IOM) viene rilasciata in grandi quantità, la qualità dell'acqua può risentirne10,20,21,22.