Aumento della produzione di biometano dalla materia organica recuperata dalle acque reflue comunali mediante un processo pilota continuo ad alta velocità di contatto e stabilizzazione

Trasformare le acque reflue in fonte di energia

Ogni giorno, l’acqua che scarichiamo porta via non solo rifiuti ma anche energia nascosta. Questo studio esplora come gli impianti di trattamento delle acque reflue urbane possano essere riprogettati per recuperare una quota maggiore di quell’energia sotto forma di metano, un combustibile che può generare elettricità. Ottimizzando una fase precoce del trattamento, i ricercatori dimostrano che è possibile catturare più materiale organico nelle acque di scarico e convertirlo in biometano, aiutando gli impianti ad avvicinarsi all’autosufficienza energetica e riducendo il loro impatto climatico.

Perché gli impianti di depurazione consumano così tanta energia

La raccolta e il trattamento delle acque reflue urbane già consumano circa l’1% dell’elettricità mondiale, e questa quota è destinata ad aumentare con il crescere delle connessioni alla rete fognaria. Gli impianti tradizionali sono progettati principalmente per rimuovere gli inquinanti, non per conservare o generare energia. In genere includono un sedimentatore primario per eliminare i solidi più pesanti, seguito da un grande bacino aerato dove i microrganismi degradano la materia organica residua in un processo noto come sistema convenzionale a fanghi attivi. Pur proteggendo fiumi e coste, questo approccio disperde molta dell’energia potenziale delle acque reflue sotto forma di calore e anidride carbonica invece di catturarla come combustibile utile.

Un nuovo modo per estrarre più combustibile dall’acqua

Lo studio si concentra su un processo chiamato stabilizzazione a contatto ad alta velocità, o HiCS, che viene aggiunto subito dopo il sedimentatore primario. Invece di lasciare che i microrganismi ossidino lentamente la materia organica per diversi giorni, il sistema HiCS li mantiene nei vasche per meno di due giorni. In questo breve intervallo i microrganismi producono sostanze adesive che favoriscono l’agglomerazione di particelle fini e organici disciolti in fiocchi più grandi che possono sedimentare per gravità. L’idea centrale è estrarre rapidamente questi aggregati ricchi di energia, prima che vengano completamente «bruciati» dai microrganismi, e inviarli poi a un digestore anaerobico dove vengono convertiti in metano senza uso di ossigeno. I ricercatori hanno installato un impianto pilota HiCS presso un reale impianto di trattamento per valutare l’efficacia della strategia in condizioni pratiche.

Testare l’impianto pilota in condizioni reali

Il sistema pilota ha ricevuto acque reflue reali già passate attraverso il chiariflocculatore primario dell’impianto. Era composto da una vasca di stabilizzazione aerata, una vasca di contatto senza aria e un sedimentatore secondario per catturare il fango formato. Il team ha fatto funzionare il sistema in due periodi con diverse età del fango e temperature dell’acqua, entrambe tipiche degli impianti reali. Hanno misurato con cura quanta materia organica entrava e usciva dal sistema, quanta finiva nel fango aggiuntivo prodotto dall’HiCS e quanto velocemente questo fango si depositava. Hanno anche confrontato questi valori con quelli previsti dai sistemi a alta velocità e dai convenzionali fanghi attivi per verificare se la nuova configurazione migliorasse davvero il recupero del carbonio.

Dal fango recuperato a metano aggiuntivo

Per determinare quanta energia utilizzabile potesse fornire il fango recuperato, i ricercatori hanno svolto test di potenziale di biometanazione. Hanno posto campioni di fango HiCS, fango attivato tradizionale e fango primario in recipienti sigillati con microbi attivi provenienti da un digestore e hanno monitorato la produzione di metano per 28 giorni. Il fango HiCS ha prodotto costantemente più metano per unità di materia organica rispetto al fango del sistema convenzionale, e l’ha fatto a una velocità maggiore, il che lo rende adatto ai tempi di digestione standard utilizzati negli impianti a piena scala. Anche la quantità di materia organica catturata per unità di materiale rimosso dall’acqua è risultata maggiore per l’HiCS rispetto al trattamento convenzionale, dimostrando che il processo non solo protegge la qualità dell’effluente ma conserva anche più materiale ricco di energia per un successivo recupero.

Implicazioni per i futuri impianti di depurazione

Nel complesso, i test pilota mostrano che aggiungere una fase continua HiCS dopo il chiariflocculatore primario può aumentare la frazione di carbonio delle acque reflue convertita in metano di circa un terzo rispetto al solo processo convenzionale, senza risultare eccessivamente sensibile alle normali variazioni di temperatura dell’acqua o alle condizioni di esercizio. In termini pratici, l’impianto può estrarre più «carburante» dalla stessa quantità di acque reflue evitando combustioni biologiche inutili nelle fasi iniziali del trattamento. Integrare questo tipo di stadio di cattura ad alta velocità nelle strutture esistenti potrebbe aiutare le città a generare più elettricità rinnovabile dalle loro acque reflue, riducendo sia i costi energetici sia le emissioni di gas serra di un servizio pubblico essenziale.

Citazione: Sakurai, K., Abe, C. Enhanced biomethane production from organic matter recovered from municipal wastewater by a pilot-scale plant continuous high-rate contact stabilization process. Sci Rep 16, 11078 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41598-w

Parole chiave: energia da acque reflue, biometano, contatto ad alta velocità e stabilizzazione, digestione anaerobica, recupero del carbonio