i bioreattori a membrana nella depurazione delle acque reflue

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
FACOLTÀ DI SCIENZE MATEMATICHE FISICHE E NATURALI
MASTER UNIVERSITARIO DI II LIVELLO IN
MONITORAGGIO E CONTROLLO AMBIENTALE
I BIOREATTORI A MEMBRANA NELLA
DEPURAZIONE DELLE ACQUE REFLUE
RESPONSABILE SCIENTIFICO
Prof. Gustavo Capannelli
CANDIDATO
Ing. Paolo Nava
ANNO ACCADEMICO 2011/2012
scarichi, definizioni
immissione effettuata esclusivamente tramite un sistema stabile
di collettamento che collega senza soluzione di continuità il ciclo
di produzione del refluo con il corpo ricettore acque superficiali,
indipendentemente dalla loro natura inquinante, anche sottoposte
a preventivo trattamento di depurazione (art.74, D.Lgs. 152/2006)
acque reflue domestiche, acque reflue assimilate a quelle
domestiche, acque reflue industriali, acque reflue urbane
(miscuglio di acque reflue domestiche, industriali e meteoriche di
dilavamento convogliate in reti fognarie e provenienti da
agglomerato)
scarichi, normativa
decreto legislativo 152/06 (t. u. ambientale), parte 3: tutela
qualitativa della risorsa, disciplina degli scarichi
obbligo di autorizzazione e rispetto dei limiti di emissione fissati in
funzione degli obiettivi di qualità dei corpi idrici
adeguamento sistemi di fognatura, collettamento e depurazione
degli scarichi nell'ambito del servizio idrico integrato
decreto legislativo 152/99: disposizioni sulla tutela delle acque
dall'inquinamento
legge Galli n.36/94 (abrogata dal d.lgs. 152/99): disposizioni in
materia di risorse idriche
trattamento delle acque reflue
depurazione: processo naturale finalizzato all'eliminazione da
sistemi liquidi e gassosi di sostanze estranee o inquinanti,
mediante una successione di azioni di carattere fisico, chimico e
biologico, massimizzate in velocità e resa
effluente finale compatibile con le capacità autodepurative del
corpo ricettore prescelto per lo sversamento
effluente finale utilizzabile, da normativa, solo a scopo irriguo o in
ambito industriale
depurazione, parametri
carico del fango: massa organica, riferita alla massa di fango
attivo (MLSS), introducibile giornalmente senza peggioramenti
nell’efficienza di depurazione
carico organico: quantità di materia organica biodegradabile
(carico inquinante) presente in un campione di acqua reflua
richiesta biochimica di ossigeno (BOD): quantità di ossigeno
consumato in un tempo finito da microorganismi aerobi per la
decomposizione, in condizioni di temperatura standard, delle
sostanze organiche presenti in 1 litro di soluzione acquosa
cas, impianti tradizionali a fanghi attivi
sistemi di ossidazione dinamica (ecosistema aerobico controllato)
basati sull'attività di una popolazione microbica in grado di
trasformare e rendere sedimentabile (aggregazione in fiocchi) la
sostanza organica presente nel refluo
linea acque: pretrattamento (grigliatura, sabbiatura, disoleatura,
sedimentazione primaria), trattamento ossidativo biologico,
trattamenti speciali o di affinamento
processo di biodegradazione all'interno di vasche aerate per
agitazione o insufflazione d'aria
linea fanghi: trattamento dei fanghi separati dal refluo chiarificato
durante le fasi di sedimentazione
filtrazione su membrana
filtrazione: operazione unitaria impiegata nella separazione dei
componenti di una soluzione eterogenea
membrana: medium permeabile (selettivo) all'attraversamento di
sostanze in funzione di specifiche attitudini (proprietà)
flusso direttamente proporzionale alla forza fluido-motrice
(pressione, temperatura, concentrazione, elettro-potenziale) ed
inversamente proporzionale alle resistenze incontrate
selettività di una membrana
grado di selettività: diametro o peso molecolare delle sostanze
rimosse
MF
UF
NF
RO
✔
✔
✔
Durezza
✔
✔
Metalli
✔
✔
Nitrati
✔
✔
✔
✔
Composti organici di sintesi
✔
✔
TDS
✔
✔
BOD
Inquinanti organici
✔
TSS
✔
✔
Batteri
✔
✔
✔
✔
Protozoi e uova di elminti
✔
✔
✔
✔
✔
✔
Virus
alimento
concentrato
QA, CA, PA
QC, CC, PC
permeato
QP, CP, PP
flusso di permeato: J = QP/A
reiezione del soluto: SR = (CA - CP)/CA
fattore di recupero: RR = QP/QA
flusso di permeato
J = (TMP – σK * Δπ)/ (μ * RM)
TMP (pressione di transmembrana): differenza di pressione (forza
motrice) responsabile del flusso attraverso la membrana
μ: viscosità assoluta dell’acqua
RM: resistenza idraulica della membrana pulita, inversamente
proporzionale alla permeabilità idraulica della membrana e
direttamente proporzionale allo spessore della membrana
σK: costante empirica
Δπ: contropressione conseguente al fenomeno osmotico
direzioni di flusso
cross-flow: bassa velocità di accumulo, alti consumi energetici
per ricircolo, TMP = (PA – PC)/2 - PP
dead-end: alta velocità di accumulo, bassi consumi energetici,
TMP = PA - PP
flusso di permeato vs. TMP
regione controllata dalla pressione: incremento del flusso di
permeato lineare con TMP
regione controllata dal trasferimento di massa: incremento
del flusso di permeato minore del corrispondente aumento di TMP,
con tendenza ad un valore costante (steady state)
mbr, what
membrane bioreactors combine fine screening with activated
sludge biological process and advanced membrane filtration
membrane modules are directly immersed in the activated sludge
activated sludge is separated from the liquid as it passes through
the membrane modules
conventional sedimentation processes are not required as the
small pores of an ultrafiltration membrane separate the
suspended matter, bacteria, and viruses from the process liquid
mbr, why
small footprint: high operating MLSS, less sludge dewatering
high quality effluent, nutrient removal
reduced overall life cycle costs: long sludge discharge intervals
easy to operate: no permanent operator attendance
energy efficient: lower power consumption
decreased downtime for cleaning and maintenance
mbr, configurazioni
side-stream: membrane esterne al bioreattore
(vasca di ossidazione), con ricircolo del retentato
membrane sommerse: membrane all'interno
del bioreattore, senza ricircolo dei fanghi o con
ricircolo per gravità
side-stream vs. moduli sommersi
side-stream
moduli sommersi
filtrazione cross-flow (in-out)
filtrazione dead-end (in-out)
membrane tubolari o plate-and-frame
fibre cave o plate-and-frame
elevato tasso di ricircolo (R=25÷50)
assenza di ricircolo di miscela aerata
alto impegno energetico (6÷8 kWh/m3)
basso costo energetico (< 200 Wh/m3)
elevati valori di TMP e flusso specifico
bassi valori di TMP e flusso specifico
controllo del fouling mediante alta
velocità del flusso nei moduli
controllo del fouling mediante bolle di
aria sulla superficie delle membrane
moduli di membrane, geometrie
moduli, a unità piane con supporto
serie di membrane appoggiate su supporto piano e distanziate
mediante griglie di drenaggio per il passaggio del permeato
unità assemblate sia verticalmente che orizzontalmente a formare
cartucce compatte, alloggiate in moduli con canali comuni per
l'alimentazione e la raccolta del permeato
basso
rapporto
superficie/volume
moduli, a spirale avvolta
coppie di membrane piane, separate da una rete spaziatrice,
incollate in serie su tre lati e avvolte ad una canale centrale di
raccolta del permeato
alloggiabili in serie in un solo elemento tubolare, compatte
bassa resistenza allo sporcamento come conseguenza delle
dimensioni ridotte dei passaggi e delle basse velocità di flusso
adottati per osmosi
inversa, nanofiltrazione
ed ultrafiltrazione
moduli, tubolari
elementi, contenuti all'interno di un supporto tubolare (mantello),
costituiti da membrane appoggiate alla parete interna di un tubo
poroso in materiale plastico
singoli moduli collegabili sia in serie che in parallelo
flusso dell'alimento assiale in ciascun tubo poroso, flusso del
permeato radiale raccolto dall'involucro esterno
elevate velocità
di filtrazione
adottati
per
ultrafiltrazione e
microfiltrazione
moduli, a fibre cave
tubi capillari costituiti da una guaina di supporto di struttura
asimmetrica ad elevata porosità, inseriti con percorso ad U entro
un tubo in pressione e chiusi alle estremità da setti in resina
motore del flusso: gradiente di pressione fra interno ed esterno
della fibra cava
controlavaggio con flusso di aria o permeato in direzione opposta
a quella di filtrazione per abbattimento del fouling
elevato rapporto
superficie/volume
key-factors in mbr
mbr, vantaggi
elevata concentrazione della biomassa: 10÷30 g/lMLSS
elevata età del fango: > 30 giorni
tasso di crescita dei microorganismi nel bioreattore molto
basso
resa, effluente di scarichi domestici
efficienze di rimozione comprese tra il 90 ed il 97%
COD mai superiore a 40 mg/l
rimozione dei solidi sospesi fino al 99.9 % di SST
completa nitrificazione ad età del fango superiori a 5 giorni
HRT e SRT completamente indipendenti
resa, effluente di scarichi industriali
efficienze di rimozione comprese tra il 90 ed il 98%
produzione di fanghi, analoga a quella dei reflui urbani, compresa
tra 0.05 e 0.35 kgSS/(kgCOD*giorno)
età del fango comprese tra 6 e 300 giorni
eliminazione di numerosi composti recalcitranti
in fase di avvio richieste diluizioni dello scarico contro l'inibizione
dei nitrificanti
mbr, problemi
diminuzione del flusso specifico di permeato all'aumentare della
concentrazione di solidi sospesi
aumento del consumo di ossigeno, con minori rese di
trasferimento, all'aumentare della concentrazione di solidi sospesi
incremento delle perdite di carico idraulico (spese energetiche)
per aumenti della viscosità della miscela in sistemi side-stream
significative alterazioni dei valori del flusso di permeato in
corrispondenza a variazioni di temperatura standard
il fouling
fouling: incremento della resistenza al moto di permeazione
attraverso la membrana come conseguenza di deposito sulla sua
superficie (cake) e di adsorbimento al suo interno (restrizione o
completa occlusione dei pori)
fouling fisico-chimico, attribuibile a composi inorganici (Fe, Mn,
CaCO3), proteine e materiale organico ed inorganico colloidale
fouling biologico, attribuibile alla crescita di colonie sulla
superficie della membrana (polimeri extracellulari escreti da
microrganismi)
il controllo del fouling
promozione delle turbolenze, ottenuta con l'incremento della
velocità di cross-flow nei sistemi side-stream e con l’aerazione
nelle configurazioni a membrane sommerse
pulizia chimica delle membrane, mediante agenti ossidanti, acidi e
basi finalizzata alla rimozione di fouling organico ed inorganico
irreversibile
pulizia meccanica delle membrane, mediante controlavaggio per
favorire la rottura degli strati di cake
difficilmente attuabile la pre-rimozione degli agenti sporcanti in
ingresso costituendo parte principale del carico organico
grazie per la dissimulata noia
la paura della noia è la sola scusa del lavoro
[jules renard]