Monitoraggio del biofilm in impianti di trattamento dell’acqua

Capire i meccanismi di crescita del biofilm e di interazione con l’ambiente circostante consente di individuare le tecniche più adatte per controllare tali fenomeni e ridurne gli effetti indesiderati. Ingegneria è controllo, e molti [5, 8, 32] sono gli studi sul monitoraggio della formazione del biofilm che vertono in questa direzione.

Studiare la formazione del biofilm nella rete idrica può risultare complesso per la difficoltà di accesso all’interno dei tubi e per la non ripetibilità degli esperimenti dovuta alla necessità di sostituire la sezione di tubo una volta analizzata.

Una soluzione può essere quella di utilizzare dei dispositivi rimovibili che permettono di ispezionare la formazione del biofilm in situ. Tali dispositivi, di vetro o metallici, in contatto con la portata di acqua, ma facilmente estraibili per le analisi e gli studi microscopici.

Biofilm e biofouling nella rete idrica Capitolo 2 Un esempio sono i Robbins devices rappresentati in Figura 2.7. Questo genere di sistemi consente di monitorare la formazione di biofilm in condizioni controllate e realistiche, ma non molto flessibili.

Figura 2.7 Robbins device

Tutt'altro tipo di approccio è quello che prevede una riproduzione del biofilm, in condizioni controllate e ben definite, ex situ. Questo metodo consiste nella messa a punto di un sistema per la crescita del biofilm in bioreattori, ad esempio CDC Biofilm

Reactor, Drip Flow Biofilm Reactor, Biofilm Anular Reactor, Rotating Disk Biofilm Reactor. Il CDC Biofilm reactor presenta in testa un supporto per una serie di

dispositivi (coupon) per l’analisi del biofilm, alloggiati su un vessel di vetro. Al suo interno il liquido, utilizzato come mezzo di crescita del biofilm, viene miscelato grazie al moto prodotto dalla rotazione di un’ancoretta magnetica posta su una piastra magnetica. Un esempio CDC Biofilm reactor è riportato in Figura 2.8 (proprietà della

Biofilm e biofouling nella rete idrica Capitolo 2

Figura 2.8 CDC Biofilm Reactor

Il Drip Flow biofilm reactor è costituito, invece, da 4, 6 o 8 canali paralleli ciascuno dei quali contenente una serie di coupon di vetro per le analisi al microscopio. Il liquido viene apportato per gocciolamento e i tempi di permanenza sono brevi, di circa 2 minuti. Una schematizzazione è rappresentata in figura 2.9.

Biofilm e biofouling nella rete idrica Capitolo 2 Il Biofilm Annular Reactor (BAR) è costituito da un cilindro esterno fisso ed uno interno rotante, tra i quali circola il liquido di processo. Per spaziare in un più ampio intervallo di velocità, il motore che consente la rotazione del cilindro interno presenta velocità variabile. In alcuni modelli si prevede che il cilindro esterno sia di vetro mentre quello interno di policarbonato. I coupon per le analisi sono fissati sul cilindro interno rotante e sono disponibili in acciaio inossidabile, vetro, plastica o in lega. Esistono inoltre modelli predisposti per il controllo della temperatura.

In Figura 2.10 si riporta un esempio di Biofilm Anular reactor (proprietà della

BioSurface Technologies Corp).

Figura 2.10 Biofilm Anular Reactor

Il Rotating Disk Biofilm reactor si presenta come un vessel di vetro con al suo interno un disco rotante di teflon contenente gli incavi necessari per inserire dei coupon rimovibili. La superficie inferiore del disco contiene una barra magnetica che consente la rotazione. In Figura 2.11 si riporta un esempio di Rotating Disk biofilm reactor (proprietà della BioSurface Technologies Corp).

Biofilm e biofouling nella rete idrica Capitolo 2 In questa tipologia di sistemi, si osserva che mediamente un biofilm raggiunge una condizione di stazionarietà in tre giorni se il flusso è turbolento e in sei giorni se invece è laminare. Infatti, confrontando la capacità di accumulo del biofilm sulla superficie interna del tubo si è notato che il moto turbolento favorisce l’adesione e la crescita di una popolazione batterica più cospicua [32, 33].

Figura 2.11 Rotating Disk Biofilm Reactor

La maggior parte dei sistemi di monitoraggio della crescita di biofilm prevede la messa a punto di un impianto costituito da tre sezioni:

• sezione di declorazione dell’acqua di rete • sezione di inoculo batterico

• sezione di ricircolo

La fase di declorazione dell’acqua si rende necessaria per eliminare il contenuto di cloro residuo presente nell’acqua di rete atto a contrastare la crescita della popolazione batterica. In assenza di cloro residuo si consente di accelerare la crescita del biofilm. Il sistema è costituito, innanzitutto, da due colonne a carboni attivi (GAC) di cui nella prima è prevista la rimozione del cloro e nella seconda è predisposto l’inoculo

Biofilm e biofouling nella rete idrica Capitolo 2 batterico. A seguire, si inseriscono due filtri per la rimozione delle eventuali particelle di carboni attivi trascinate, di porosità rispettivamente 20 e 5 μm. La corrente filtrata è inviata ad un mixer che consente di omogeneizzarla prima della sezione di ricircolo ove si prevede un programma di simulazione delle condizioni reali dell’acqua di rete (ad esempio l’alternanza di 12 ore di moto e di 12 ore di stazionarietà).

In questa sezione il flusso è controllato da una pompo di ricircolo e il biofilm si sviluppa e cresce sulla superficie interna di un determinato tubo, all’interno del quale possono essere previsti dei sistemi di campionamento per l’analisi del biofilm in situ. Esistono poi sistemi di monitoraggio nei quali questa sezione è costituita da tubi di materiale differente, in parallelo, per il confronto della diversa capacità di adesione e di crescita del biofilm alle pareti. I sistemi di pompaggio per la regolazione del flusso consentono di lavorare sia in moto laminare che turbolento e questo permette di evidenziare le condizioni di flusso più critiche per la crescita del biofilm. Si può inoltre controllare la temperatura abbinando alla sezione di ricircolo un sistema di refrigerazione. Confrontando i diversi biofilm ottenuti in questo tipo di sistema si può risalire a informazioni circa la velocità, la temperatura, il materiale ideali per la crescita del biofilm, in relazione al diverso inoculo batterico. Si riporta in Figura 2.12 un esempio di impianto per il monitoraggio della crescita del biofilm.

Biofilm e biofouling nella rete idrica Capitolo 2

Figura 2.12 Impianto di monitoraggio della formazione di biofilm nella rete idrica