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Sewage TreatmentRicerca e validazione su piccola scala

Tema di ricerca:
Recupero di carbonio, azoto e fosforo negli impianti di depurazione

Un processo di trattamento delle acque reflue che recupera carbonio, azoto e fosforo negli impianti di depurazione

Si stima che la depurazione delle acque reflue urbane incida per circa l’1% sul consumo mondiale di elettricità. L’aerazione richiede gran parte dell’energia e la rimozione dell’azoto produce anche N₂O. Con un Bloomo di dimensioni maggiori puntiamo a sostituire una parte di questo costo di trattamento con il recupero di risorse, su quattro livelli: minore aerazione, assorbimento di CO₂, recupero di azoto e fosforo e riduzione dell’N₂O. L’applicazione alle acque reflue urbane è oggi in fase di ricerca e di validazione su piccola scala.

Ingresso:Acqua ricca di N e PBloomoUscita:Acqua pulita・Fertilizzante / biochar
Background

Contesto, prodotto, prospettive

Contesto

Si stima che la depurazione delle acque reflue urbane rappresenti circa l’1% del consumo mondiale di elettricità. Nel processo a fanghi attivi l’aerazione richiede il 50–60% dell’energia, e la rimozione dell’azoto genera N₂O, con un potenziale di riscaldamento globale (GWP) di 273.

Prodotto

Bloomo for Sewage è in sviluppo per essere integrato nei processi di depurazione esistenti. Combina l’apporto di ossigeno tramite fotosintesi, l’assorbimento di CO₂ e l’assimilazione dell’ammonio (NH₄⁺) in amminoacidi, con l’obiettivo di una rimozione superiore al 90% sia per l’azoto sia per il fosforo (valori obiettivo, non ancora validati).

Prospettive

Cominceremo con una ricerca congiunta con i gestori delle reti fognarie e le imprese di manutenzione in Giappone, valutando la tecnologia come complemento ai trattamenti esistenti e nel rispetto degli standard di qualità dello scarico. Studieremo anche come presentare l’assorbimento di CO₂ come valore ambientale.

Stakeholders

Utenti e prodotto

USER

Comuni e imprese di infrastrutture

  • Elevati consumi energetici della depurazione
  • Richiesta di quantificare e ridurre le emissioni di N₂O e CH₄
  • Recupero di azoto e fosforo come risorse
  • Decarbonizzazione durante il rinnovo di impianti obsoleti

PRODUCT

Bloomo for Sewage

Un processo algale integrato, pensato per inserirsi negli impianti esistenti (fase di ricerca)

  • Fotosintesi che sostituisce in parte l’energia di aerazione
  • Assorbimento della CO₂ dei fumi di combustione
  • Recupero dell’azoto tramite assimilazione dell’NH₄⁺ in amminoacidi
  • Riduzione dell’N₂O con l’aggiunta di biochar (in studio)
Technology

Tecnologie chiave e caratteristiche

Minore energia di aerazione

L’ossigeno fotosintetico sostituisce in parte l’O₂ fornito ai batteri aerobi (il bilancio energetico netto, compresi miscelazione e raccolta, sarà valutato in fase di dimostrazione)

Assorbimento di CO₂

Impiega la CO₂ dei fumi di combustione di uno stabilimento industriale. L’assorbimento teorico è di circa 1,83 t di CO₂ per tonnellata di biomassa, non una riduzione netta

Recupero di N e P

L’NH₄⁺ viene assimilato in amminoacidi e proteine. Studi con fotobioreattore (PBR) e separazione a membrana (MPBR) riportano rimozioni superiori al 90%

Riduzione dell’N₂O

Alcuni studi riportano minori emissioni di N₂O dalla denitrificazione microbica con l’aggiunta di biochar (in studio presso Novelgen)

Process Design

Dalla depurazione come costo al recupero di risorse

La depurazione delle acque reflue urbane è un’infrastruttura indispensabile per la salute pubblica, ma si stima che rappresenti circa l’1% del consumo mondiale di elettricità[1]. Nel processo a fanghi attivi l’aerazione assorbe il 50–60% dell’energia[2] e la rimozione dell’azoto genera N₂O (GWP 273)[3][4]. Qui presentiamo l’idea di un processo basato su un Bloomo di dimensioni maggiori, con cui puntiamo a sostituire una parte di questo costo con il recupero di risorse (fase di ricerca).

PROBLEMCriticità strutturali della depurazione convenzionale

01

Elevato consumo energetico ed emissioni di CO₂

Il 50–60% dell’elettricità consumata dal processo a fanghi attivi serve all’aerazione. A livello mondiale il settore della depurazione rappresenta circa l’1% del consumo di elettricità e si prevede che cresca del 20% entro il 2030.

Riferimenti: [2][5]

02

Emissioni di N₂O

Una nitrificazione e una denitrificazione incomplete producono N₂O come sottoprodotto. L’N₂O è un gas serra estremamente potente, con un GWP a 100 anni di 273, e il suo fattore di emissione varia molto da un impianto all’altro.

Riferimenti: [3][4][6]

03

Recupero di azoto e fosforo

Nitrificazione e denitrificazione rilasciano in atmosfera gran parte dell’azoto sotto forma di N₂. Per il fosforo sono già in corso iniziative di recupero dai fanghi. Il recupero tramite alghe è allo studio come complemento a quello già praticato sui fanghi.

Riferimenti: [7]

SOLUTIONUn concetto a quattro livelli con Bloomo

Layer 1

Riduzione dell’energia di aerazione

L’ossigeno fotosintetico sostituisce in parte quello fornito ai batteri aerobi. In sistemi che coltivano le alghe insieme ai fanghi attivi è stata riportata la rimozione di azoto, fosforo e COD (domanda chimica di ossigeno). Questo ossigeno, però, si produce solo con la luce del giorno, e il bilancio energetico netto, compresi miscelazione e raccolta, sarà valutato in fase di dimostrazione.

Riferimenti: [8]

Layer 2

Assorbimento di CO₂

Le microalghe incorporano la CO₂ nella biomassa tramite fotosintesi. Assumendo che il carbonio costituisca il 50% del peso secco, l’assorbimento teorico è di circa 1,83 t di CO₂ per tonnellata di biomassa (valore lordo, non una riduzione netta). La CO₂ ad alta concentrazione può essere fornita dai fumi di combustione, e alcuni studi usano fumi contenenti NOx/SOx, ma ne vanno valutati anche gli effetti.

Riferimenti: [9]

Layer 3

Recupero di azoto e fosforo

Le alghe assimilano l’ammonio (NH₄⁺) in amminoacidi e proteine. Studi che combinano un PBR con la separazione a membrana (MPBR) e configurazioni simili hanno riportato rimozioni superiori al 90% per azoto e fosforo. L’obiettivo è recuperare come biomassa la maggior parte dell’azoto, ma il relativo bilancio, compresi l’N₂O prodotto dalle alghe stesse e la volatilizzazione dell’ammoniaca, sarà verificato in fase di dimostrazione. La biomassa derivata dalle acque reflue urbane non è destinata ai mangimi; prevediamo di usarla per fertilizzanti, biochar e usi analoghi (previa analisi di metalli pesanti, patogeni e simili e nel rispetto delle leggi pertinenti).

Riferimenti: [10][11][14]

Alla valorizzazione della biomassa recuperata
Layer 4

Riduzione delle emissioni di N₂O

In zone umide artificiali con aggiunta di biochar sono state riportate minori emissioni di N₂O. Stiamo studiando come il biochar ottenuto dalla biomassa recuperata da Bloomo possa essere reimmesso nel sistema di trattamento (l’effetto non è stato validato).

Riferimenti: [12][13]

System architecture comparison

CONVENTIONAL (fanghi attivi)Acque in ingressoTrattamento primarioFanghi attiviSedimentazione secondariaDisinfezione e scarico↓ Emissioni di CO₂, N₂O, CH₄Fanghi → smaltimento / recuperoBLOOMO (processo integrato, concetto)Acque in ingressoTrattamento primarioColtivazione BloomoSeparazione solido-liquidoMembrane e scarico↑ Apporto di CO₂ (fumi di combustione)Fertilizzante / biochar (non per mangimi)

BENCHMARKIndicatori di prestazione (obiettivi, in fase di validazione)

ParametroProcesso convenzionaleBloomo integrato (obiettivo)
Rimozione dell’azotoDipende dal processo di trattamento> 90% (obiettivo)
Rimozione del fosforoDipende dal processo di trattamento> 90% (obiettivo)
Quota di energia dovuta all’aerazione50–60% del totaleIn parte sostituita dalla fotosintesi (saldo netto da valutare)
Fattore di emissione dell’N₂O1,01% kg N₂O-N/kg TN (mediana)Si punta a ridurlo (valutando anche l’N₂O prodotto dalle alghe)

Nota: la colonna Bloomo integrato riporta obiettivi non ancora validati (le fonti sono gli studi su cui si basano gli obiettivi). L’applicazione alle acque reflue urbane è in fase di ricerca e di validazione su piccola scala, senza alcuna realizzazione su larga scala all’attivo.

BUSINESSModalità di offerta (concetto)

Prevediamo di offrire Bloomo for Sewage attraverso collaborazioni e licenze con imprese di infrastrutture e comuni. Le condizioni specifiche saranno concordate nell’ambito della ricerca congiunta.

  • ▸ Pacchetto tecnologico Algal Bloom Capture (libreria di ceppi, protocolli di coltivazione, know-how di controllo con IA)
  • ▸ Bloomo Cloud Service (monitoraggio da remoto e ottimizzazione)
  • ▸ Modelli di collaborazione con aziende partner (imprese di infrastrutture, comuni)

ROADMAPRoadmap di sviluppo

  1. 1.Dimostrazione in acquacoltura: verifica delle prestazioni delle unità e del controllo della coltivazione con Bloomo per operatori dell’acquacoltura e impianti di produzione di seme
  2. 2.Validazione su acque reflue industriali e urbane (fase attuale): l’applicazione alle acque reflue urbane è in fase di ricerca e di validazione su piccola scala; dopo la dimostrazione con acque reflue reali puntiamo a raggiungere un livello adatto all’esercizio degli impianti
  3. 3.Diffusione: offerta tramite licenze o come servizio, verifica della conformità agli standard giapponesi di qualità dello scarico e studio del metodo di calcolo del valore ambientale

Bibliografia

  1. Maktabifard M., et al. Achieving energy neutrality in wastewater treatment plants. Rev. Environ. Sci. Bio/Technol., 2018, 17, 655–689. DOI →
  2. Pathways to a net-zero-carbon water sector through energy-extracting wastewater technologies. npj Clean Water, 2022, 5, 49. DOI →
  3. Kampschreur M.J., Temmink H., Kleerebezem R., Jetten M.S.M., van Loosdrecht M.C.M. Nitrous oxide emission during wastewater treatment. Water Research, 2009, 43(17), 4093–4103. DOI →
  4. Stylianou M., et al. Factors Affecting N₂O Emissions from Activated Sludge WWTP — A Review. Resources, 2023, 12(10), 114. DOI →
  5. Mizuta K., Shimada M. Benchmarking energy consumption in municipal WWTPs in Japan. Water Science and Technology, 2010, 62(10), 2256–2262. DOI →
  6. Song C., et al. Oversimplification and misestimation of nitrous oxide emissions from WWTPs. Nature Sustainability, 2024, 7, 1348–1358. DOI →
  7. Mayer B.K., et al. Total Value of Phosphorus Recovery. Environ. Sci. Technol., 2016, 50(13), 6606–6620. DOI →
  8. Abdelfattah A., et al. Microalgae-based wastewater treatment: Mechanisms, challenges, recent advances, and future prospects. Environmental Science and Ecotechnology, 2022, 13, 100205. DOI →
  9. Cheah W.Y., Show P.L., Chang J.-S., Ling T.C., Juan J.C. Biosequestration of atmospheric CO₂ and flue gas-containing CO₂ by microalgae. Bioresource Technology, 2015, 184, 190–201. DOI →
  10. Goh P.S., et al. Microalgae-Enabled Wastewater Remediation and Nutrient Recovery through Membrane Photobioreactors: Recent Achievements and Future Perspective. Membranes, 2022, 12(11), 1094. DOI →
  11. Bezerra S.S., Fontana L., Arantes C.C., de Jesus T.A. Phosphorus removal from wastewater by microalgal cultivation in photobioreactors: a systematic literature review and multivariate analysis. Environ. Monit. Assess., 2025, 197(11), 1182. DOI →
  12. Huang L., Xiong H., Jiang C., He J., Lyu W., Chen Y. Pathways and biological mechanisms of N₂O emission reduction by adding biochar in the constructed wetland based on ¹⁵N stable isotope tracing. J. Environ. Manage., 2023, 342, 118359. DOI →
  13. Zhang Y., Zhang Z., Chen Y. Biochar Mitigates N₂O Emission of Microbial Denitrification. Environ. Sci. Technol., 2021, 55(12), 8068–8078. DOI →
  14. Plouviez M., et al. The biosynthesis of nitrous oxide in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. The Plant Journal, 2017, 91(1), 45–56. DOI →

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