Bioreattori a Membrana con Biofilm Batterici per la Depurazione dell’Acqua

I biofilm non sono solo “patine” sulle superfici umide: sono comunità microbiche organizzate che, se gestite correttamente, possono risolvere problemi concreti di qualità dell’acqua. Quando un biofilm lavora insieme a una fase di separazione su membrana, si ottiene un sistema compatto che unisce trasformazioni biologiche (come la rimozione dell’azoto) e una chiarificazione stabile dell’effluente. Nel 2026 la questione non è più se i bioreattori a membrana funzionino, ma come rendere più affidabili i design assistiti da biofilm, ridurre la frequenza delle pulizie e rispondere a requisiti di scarico e di riuso più severi.

Perché i biofilm contano nei bioreattori a membrana moderni

Nei sistemi a fanghi attivi tradizionali, la maggior parte dei microrganismi resta sospesa nel liquame miscelato. Un approccio a biofilm, invece, ancora intenzionalmente una parte della biomassa su superfici: carrier, fibre, granuli o strutture vicine alla membrana. Questo è importante perché la crescita adesa può stabilizzare gruppi microbici chiave (nitrificanti, denitrificanti e degradatori specializzati) e rendere il processo più resiliente quando l’influente cambia per temperatura, carico o disponibilità di carbonio. In pratica, l’operatore “trattiene” più biologia nel reattore senza limitarsi ad aumentare la concentrazione di solidi.

Le configurazioni assistite da biofilm vengono spesso indicate con nomi diversi. In ambito reflui si parla di ibridi come BF-MBR (biofilm–MBR), in cui i carrier favoriscono la crescita adesa mentre la membrana garantisce la separazione finale dei solidi. Nel trattamento di acqua potabile o nei passaggi di affinamento, un concetto distinto è l’MBfR (membrane biofilm reactor a idrogeno): qui l’idrogeno viene fornito tramite membrane permeabili al gas a un biofilm autotrofo che riduce contaminanti come i nitrati in condizioni a basso carbonio.

Dal punto di vista operativo, questi sistemi sono interessanti perché possono ridurre la produzione di fanghi in eccesso e creare un ambiente biologico più controllabile. Tuttavia, il “vantaggio biofilm” si mantiene solo se l’impianto è progettato per far svolgere al biofilm la chimica desiderata senza trasformarlo in uno strato di fouling che soffoca la filtrazione o blocca i trasferimenti di massa.

MBfR vs BF-MBR: due strade diverse verso prestazioni “di nuova generazione”

MBfR e BF-MBR risolvono problemi diversi e confonderli porta a scelte progettuali sbagliate. In un MBfR, la membrana è soprattutto un’interfaccia di trasferimento gas, non una barriera di filtrazione: l’idrogeno diffonde attraverso la parete della membrana verso un biofilm che lo usa come donatore di elettroni. Questo approccio è particolarmente utile quando servono reazioni di riduzione in acque con poco carbonio organico, ad esempio per rimuovere i nitrati senza dover dosare una fonte di carbonio esterna.

I BF-MBR, invece, sono bioreattori a membrana in cui l’obiettivo principale resta la filtrazione, con l’aggiunta di carrier o media che promuovono la crescita adesa per aumentare la stabilità biologica e, in alcuni casi, ridurre la resa netta di fango. Qui la membrana (spesso microfiltrazione o ultrafiltrazione) trattiene la biomassa, mentre la frazione a biofilm punta a migliorare il trattamento o a modificare la natura dei foulant. Negli impianti reali, la domanda è se i carrier riducano davvero la tendenza al fouling e la frequenza delle pulizie oppure introducano nuove complessità (usura del media, rotture, miscelazione non uniforme).

Nel 2026 si parla di “nuova generazione” solo quando un sistema affronta insieme tre aspetti: conversione stabile degli inquinanti target, manutenzione delle membrane prevedibile e monitoraggio credibile. Questo significa progettare trasferimenti di massa (ossigeno, idrogeno, substrato), scegliere materiali e struttura dei pori coerenti con il servizio e definire un campo operativo che regga anche ai cambi stagionali.

Ingegneria del reattore: membrane, carrier e trasferimenti di massa controllabili

Un bioreattore a membrana è un equilibrio tra biologia e fisica. La membrana assicura la qualità dell’effluente, ma crea anche un collo di bottiglia: se il flusso viene spinto oltre ciò che il carico di foulant consente, la pressione transmembrana aumenta e l’impianto vive in modalità pulizia. I design assistiti da biofilm non eliminano questa regola; cambiano piuttosto il profilo dei foulant e il modo in cui i solidi si comportano vicino alla superficie di membrana.

La scelta della membrana resta guidata dai fondamentali: qualità richiesta, barriera microbiologica, tolleranza chimica e regime di pulizia. Le membrane polimeriche sono ancora diffuse, mentre soluzioni ceramiche emergono in servizi più gravosi o dove si desidera maggiore libertà nelle pulizie aggressive. Nei sistemi con biofilm, però, aumentano l’importanza delle proprietà di superficie (idrofilia, carica, rugosità) e dell’idraulica dei moduli, perché la crescita di biofilm e le sostanze polimeriche extracellulari possono rendere più “appiccicoso” il fouling se il reattore non è gestito con cura.

I carrier e i media per biofilm possono essere utili, ma solo quando il loro ruolo è definito. Possono creare micro-ambienti protetti per microrganismi a crescita lenta, sostenere la nitrificazione con età del fango più basse o tamponare shock di carico. Allo stesso tempo, possono aumentare le esigenze di taglio, influenzare la distribuzione delle dimensioni dei fiocchi e modificare i prodotti microbici solubili—tutti fattori che possono migliorare o peggiorare la filtrazione. La progettazione deve trattare i carrier come una variabile di processo, non come un dettaglio “di contorno”.

Controllo del fouling: cosa funziona davvero nell’esercizio quotidiano

Per chi gestisce un impianto, il fouling si manifesta come perdita di permeabilità, aumento della pressione transmembrana e intervalli più brevi tra le pulizie. È utile ragionare per strati: una parte reversibile rimovibile con metodi fisici (aerazione di scouring, controlavaggio, fasi di rilassamento) e una frazione più tenace che richiede pulizie chimiche. Anche i BF-MBR affrontano entrambe; la differenza è che biofilm e dinamiche dei carrier possono spostare l’equilibrio tra cake reversibile e blocco dei pori più persistente.

Le leve più affidabili restano spesso quelle “semplici”: aerazione (o gas sparging nei sistemi anaerobici) stabile, evitare step-change improvvisi del flusso e controllare le caratteristiche dei solidi agendo sulla biologia prima di inseguire i picchi di pressione. Quando si usano carrier, la miscelazione va tarata per evitare che il media frantumi i fiocchi in colloidi fini difficili da filtrare. Anche la stagione conta: in inverno, viscosità più alta e cinetiche più lente possono aumentare il rischio di fouling se si mantengono gli stessi target di flusso tutto l’anno.

Nel 2026, il monitoraggio è sempre più parte del controllo del fouling, non un accessorio. Gli impianti che reggono meglio tendono a seguire trend di permeabilità, recupero dopo pulizia e indicatori correlati ai foulant “appiccicosi” (ad esempio proxy di prodotti microbici solubili e di sostanze polimeriche extracellulari). L’obiettivo non è accumulare dati, ma ottenere segnali precoci quando la biologia sta diventando più propensa al fouling.

Dove si collocano nel 2026: conformità, microinquinanti e riuso dell’acqua

In Europa, aspettative più stringenti su rimozione di nutrienti e controllo dei microinquinanti stanno influenzando le scelte tecnologiche. La revisione della direttiva UE sul trattamento delle acque reflue urbane, Direttiva (UE) 2024/3019, è entrata in vigore il 1° gennaio 2025 e spinge verso requisiti più forti e, in alcuni casi, verso trattamenti avanzati per sostanze specifiche, oltre ad ampliare la copertura per determinati agglomerati. Per molti gestori, questo si traduce in una domanda concreta: come ottenere qualità costante senza far esplodere consumi ed oneri operativi.

I sistemi a membrana assistiti da biofilm possono essere utili in diversi scenari. Per il controllo dell’azoto, la stabilità di nitrificazione e denitrificazione può migliorare quando i microrganismi critici hanno siti di adesione protetti. Per acque a basso carbonio, i concetti MBfR sono rilevanti perché forniscono un donatore di elettroni attraverso una membrana invece di dosare carbonio organico, riducendo potenziali effetti collaterali e semplificando l’affinamento a valle.

Nei progetti di riuso, le membrane sono un passaggio abilitante perché rimuovono solidi sospesi e una quota importante di microrganismi, producendo un’acqua stabile per eventuali trattamenti successivi (carbone attivo, ozono o ossidazioni avanzate, in base all’obiettivo di riuso). La componente a biofilm è preziosa quando riduce la variabilità che altrimenti metterebbe sotto stress la linea di polishing.

Limiti e rischi reali: sicurezza dell’idrogeno, sottoprodotti e manutenibilità

Nessun “nuovo tipo” di bioreattore è privo di compromessi. I design MBfR prevedono l’uso di idrogeno, un donatore di elettroni pulito ma che richiede ingegneria della sicurezza rigorosa: gestione delle perdite, ventilazione, controllo delle sorgenti d’innesco e procedure operative chiare. Il punto non è creare allarmismo, ma trattare l’idrogeno come un gas industriale con rischi noti e misure di mitigazione consolidate.

È fondamentale essere realistici anche su sottoprodotti e chimica dell’acqua. Qualsiasi processo di riduzione biologica può spostare alcalinità, influenzare il pH e modificare i gas disciolti. Nei contesti di rimozione dei nitrati, il controllo degli intermedi e la stabilità del prodotto finale fanno parte di una progettazione responsabile. Nei BF-MBR, il rischio spesso non è la creazione di un “nuovo” contaminante, ma un cambiamento nella frazione organica disciolta che può condizionare i trattamenti successivi o la disinfezione.

La manutenibilità decide spesso il successo alla scala reale. Un impianto dovrebbe prevedere accesso semplice ai moduli, cicli di pulizia in place realistici e criteri chiari per capire quando la pulizia fisica non basta più. Se un design richiede interventi esperti continui per restare stabile, difficilmente regge nella normale realtà di esercizio. I sistemi più solidi nel 2026 sono quelli che degradano in modo “gestibile”, segnalano per tempo il calo prestazionale e possono essere recuperati con strumenti operativi standard.