La ricircolazione del carbone attivo in polvere migliora l’adsorbimento dei micropollutanti organici nei processi ibridi con membrane

Rimuovere le sostanze chimiche nascoste dalle acque reflue urbane

Ogni volta che ci laviamo le mani, prendiamo un medicinale o facciamo il bucato, piccole tracce di sostanze chimiche lasciano le nostre case e finiscono agli impianti di trattamento delle acque reflue. Molti di questi cosiddetti “micropollutanti” sfuggono ai trattamenti convenzionali e ritornano nei fiumi e nei laghi. Questo studio esplora un modo più intelligente di aggiornare gli impianti esistenti per catturare una quota maggiore di questi contaminanti invisibili, usando meno materiale ed energia di quanto si possa pensare.

Un nuovo strato aggiunto al trattamento convenzionale

Le moderne normative europee ora richiedono a molti impianti di aggiungere un passaggio di trattamento “quaternario” per rimuovere micropollutanti organici come residui di farmaci e sostanze industriali. Un’opzione promettente combina membrane a setacciatura molto fine con carbone attivo in polvere, un materiale poroso e scuro che agisce come una spugna per le sostanze in tracce. Nell’impianto pilota studiato qui, le acque reflue passavano prima per uno stadio biologico convenzionale in cui i microrganismi degradano gran parte dell’inquinamento facilmente biodegradabile. Successivamente l’acqua veniva inviata a un stadio di ultrafiltrazione, dove il carbone in polvere veniva miscelato direttamente nel tubo di alimentazione e sulla superficie della membrana anziché in un grande serbatoio di contatto separato. Questo design compatto risparmia spazio ma lascia solo secondi o minuti perché il carbone svolga il suo compito — una sfida difficile quando si cerca di trattenere sostanze in tracce particolarmente ostinate.

Far lavorare lo stesso carbone due volte

I ricercatori hanno testato se la stessa quantità di carbone in polvere potesse essere impiegata in modo più efficiente rimandandola indietro nel processo prima di rimuoverla definitivamente con il fango. Nella loro configurazione, le particelle di carbone che si erano parzialmente saturate di micropollutanti allo stadio della membrana venivano raccolte durante il contro-lavaggio della membrana e poi pompate indietro nei vasconi biologici a monte. Lì rimanevano a contatto per molte ore o giorni con acque che contenevano ancora concentrazioni più elevate di sostanze in tracce. Questo schema controcorrente — dove l’acqua relativamente pulita procede in avanti mentre il carbone viene riportato indietro — è simile nello spirito agli scambiatori di calore efficienti e contribuisce a mantenere elevata la forza motrice per l’adsorbimento. Le prove pilota hanno mostrato che, con questa ricircolazione, il carbone in polvere fine raggiungeva l’obiettivo dell’80% di rimozione per i micropollutanti regolamentati usando circa la metà della dose di carbone precedentemente necessaria.

Perché il carbone più fine e i lunghi tempi di contatto sono importanti

Per comprendere il perché di questo buon risultato, il gruppo ha condotto test di laboratorio confrontando particelle di carbone “fino” con dimensioni dei granuli molto più piccole rispetto a quelle convenzionali. Le particelle più piccole assorbivano le molecole organiche più rapidamente e raggiungevano un carico totale maggiore entro 48 ore, perché una porzione maggiore della loro superficie interna è accessibile. Nel sistema compatto in linea, la combinazione di un breve tratto di tubazione e dello strato di torta sulla membrana permetteva al carbone fine di raggiungere solo circa la metà o i due terzi del suo carico massimo. Riciclando quel carbone parzialmente saturo nello stadio biologico per molte ore aggiuntive, si poteva sfruttare la capacità residua invece di buttarla via. Al contrario, un processo più tradizionale con un grande serbatoio di contatto dedicato (il cosiddetto processo di Ulm) già lasciava al carbone il tempo sufficiente per caricarsi completamente, quindi rinviarlo a monte apportava pochi benefici aggiuntivi.

Modificare dove e come vengono rimosse le sostanze inquinanti

Misure dettagliate sulle singole molecole hanno rivelato che la ricircolazione spostava gran parte della rimozione dei micropollutanti nei vasconi biologici, anche se le misure globali di carbonio organico non variavano che di poco. Composti che si legano facilmente al carbone, come la benzotriazolo, venivano rimossi quasi completamente prima di raggiungere la membrana, mentre sostanze più resistenti come il candesartan mostravano comunque una riduzione addizionale marcata quando il carbone veniva ricircolato. Allo stesso tempo, il carbonio organico disciolto complessivo rimaneva quasi costante, suggerendo che il processo diventava più selettivo per i micropollutanti rispetto alla materia organica di fondo. Lo studio ha inoltre riscontrato che le misure ottiche standard utilizzate come surrogate rapide per la rimozione dei micropollutanti restano utili sotto queste nuove condizioni operative, e gli autori propongono semplici valori di rimozione “bonus” che gli ingegneri possono aggiungere quando pianificano impianti a scala reale con ricircolo del carbone.

Cosa significa questo per i futuri aggiornamenti degli impianti di trattamento

Per i non specialisti, il messaggio principale è che un progetto di processo intelligente può essere importante quanto l’invenzione di nuovi materiali quando si tratta di depurare l’acqua. Permettendo allo stesso lotto di carbone in polvere di vedere l’acqua due volte — prima brevemente alla membrana e poi a lungo nei vasconi biologici — l’impianto può raggiungere i rigorosi nuovi obiettivi europei per la rimozione dei micropollutanti usando fino al 50% di carbone in meno. Lo studio mostra che tali ibridi membrana‑carbone possono essere stabili in funzionamento a lungo termine, adattarsi agli schemi di trattamento esistenti e persino migliorare alcune proprietà del fango, il tutto producendo acqua sufficientemente pulita per usi come la balneazione o il riutilizzo non potabile. In breve, una ricircolazione più intelligente di un materiale antico offre una strada pratica per proteggere fiumi e laghi dall’impronta chimica della vita quotidiana.

Citazione: Zimmermann, M., Staaks, C., Hoffmann, M. et al. Recirculation of powdered activated carbon improves the adsorption of organic micropollutants in membrane hybrid processes. npj Clean Water 9, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41545-026-00561-y

Parole chiave: trattamento delle acque reflue, micropollutanti, carbone attivo in polvere, membrane a ultrafiltrazione, riutilizzo dell’acqua