SOMMARIO Il funzionamento corretto di un impianto

Misurazioni e strumentazione negli impianti MBR
M. Milovi 1, C. Thiemig1, W. Ruppricht1 , I.G. Zerbinati1
1
MICRODYN-NADIR GmbH, Rheingaustraße 190-196, D-65203 Wiesbaden, Germany
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Keywords/Parole chiave
Membrane bioreactor, MBR, instrumentation, Transmembrane pressure, TMP,
SOMMARIO
Il funzionamento corretto di un impianto MBR richiede alcune
misurazioni specifiche e l’uso di strumentazione dedicata rispetto
ai tradizionali impianti a fanghi attivi. La filtrazione di un’acqua
di scarico trattata biologicamente con l’ uso di membrane
sommerse sottoposte ad una minima pressione negativa
rappresenta la maggiore differenza. La misurazione di questa
pressione, definita come pressione di transmembrana (TMP) e l’
esigenza di proteggere queste membrane da pressioni elevate che
potrebbero danneggiare la loro integrità, è la richiesta principale
nell’ operare un sistema MBR. Questo studio illustra le principali
difficoltà nella misurazione nella misurazione della TMP come
parametro cruciale nel corretto utilizzo degli impianti MBR e
fornisce consigli ed indicazioni su come gestire questo parametro
sia nella progettazione che nella gestione degli impianti MBR.
INTRODUZIONE
Gli impianti MBR combinano i tradizionali impianti a fanghi attivi
(CAS = Conventional Activated Sludge) per il trattamento delle
acque di scarico con la separazione della bio-massa dalla massa
acquosa contenete soluti ed organico (MLSS = mixed liquor
suspende solids) tramite l’uso di membrane da ultra o micro
filtrazione e questa separazione della bio-massa è la principale
differenza. Nei processi a fanghi attivi , la separazione dei solidi
avviene attraverso una fase di sedimentazione dei fanghi attivi in
grosse vasche per effetto della sola forza di gravità.
Negli impianti MBR questa separazione avviene tramite un
processo di filtrazione dovuto ad una differenza di pressione tra la
massa dei fanghi attivi ed il permeato all’ interno delle membrane.
Questa differenza di pressione è normalmente ottenuta applicando
una leggera depressione tramite pompe di estrazione applicate
sulle uscite del permeato. La filtrazione viene spesso sospesa dopo
un certo periodo di tempo (da 5 a 30 minuti) per ottenere una
migliore rimozione dello strato di fango che si deposita sulle
membrane
(cake
layer)
durante
il
processo
di
estrazione/filtrazione. Al periodo di filtrazione segue un periodo di
rilassamento delle membrane variabile da 1 a 5 minuti in base al
tipo di acqua di scarico e dal modo di funzionamento dell’
impianto MBR.
I moduli degli impianti MBR possono essere costituiti da
membrane piane , tubolari o capillari e la loro tipologia definisce
le diverse condizioni operative.
La pulizia delle membrane può avvenire soltanto grazie al
continuo passaggio dell’ aria soffiata in continuo dal fondo o
aggiungendo anche una fase di contro-flusso (backflushing) dal
1
lato permeato ogni 10-30 minuti o facendo una pulizia chimica
sempre in contro-flusso (con cadenza settimanale o mensile.
Alcuni moduli richiedono inoltre un lavaggio chimico intensivo in
vasche apposite con cadenza mensile/annuale per un completo
ripristino delle proprietà di filtrazione.
La tipologia e frequenza di questi lavaggi dipendono dal tipo di
acqua da trattare e dalle indicazioni dei costruttori dei moduli
MBR.
I vantaggi degli impianti MBR stanno essenzialmente nella
superiore qualità dell’ acqua in uscita (solidi e batteri vengono
completamente eliminati) , nella loro minima dimensione e dal
non richiedere le grosse vasche di sedimentazione..
In generale esistono due diversi modi di integrare i moduli MBR
negli impianti di trattamento acqua: o direttamente immersi nelle
vasche di ossidazione (configurazione di figura 1- sinistra) o
sommersi in una vasca separata (configurazione di figura 1destra).
Filtration
Aeration Tank
Influent
Permeate
Air Scour
Effluent
DN
N
WAS
Filtration Tank
Influent
Permeate
Aeration Tank
Air Scour
Effluent
DN
Was
N
Rezirculation
Figura 1:
posizionamento dei moduli MBR all’ interno
delle vasche di ossidazione (sinistra) o in vasca separata
(destra)
Spesso i moduli MBR sono immersi direttamente nei fanghi attivi
e l’ acqua trattata (permeato) viene estratta applicando del vuoto o
con un effetto gravità. I moduli MBR sono dotati di un sistema di
aereazione dedicato nella loro parte inferiore che serve per creare
una filtrazione tangenziale (cross-flow) che rimuova il fango da
cui è stata estratta l’ acqua dalla superficie delle membrane. Le
bolle d’aria puliscono in continuo le membrane e riducono i
depositi di fango creati dal processo di filtrazione sulle superficie
delle membrane .
La sfida nella conduzione ottimale di un impianto MBR consiste
nel controllare e ridurre al minimo questi depositi di fango
organico (cake layer) sulla superficie delle membrane e nel
controllare e ridurre al minimo i depositi (fouling) all’ interno dei
pori delle membrane.
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La rimozione dei depositi di fango e del fouling rappresentano la
maggior parte dei costi nel funzionamento di un impianto.
I depositi di fango vengono rimossi in maniera efficace da una
aereazione corretta . Questa aereazione rappresenta da sola circa
dal 30 al 70% del consumo energetico di un impianto MBR.
Il fouling è causato da una serie di fattori: deposito di bio-solidi,
colloidi, depositi minerali e macromolecolari sulla superficie ed
all’ interno dei pori della membrana (Judd 2006) che causano una
diminuzione del flusso di permeato ed un declino della
permeabilità..
Una precisa definizione del tipo del fouling è difficile da definire
in quanto dipende dalla eterogeneità dei fanghi attivi. Diversi
fattori quali le caratteristiche della bio-massa, le sostanze extra
cellulari (EPS), le dimensioni dei pori delle membrane, la
superficie della membrane ed il loro materiale, la costruzione del
modulo ed il suo modo operativo contribuiscono alla sua
crescita[e.g. Chang et al., 2002].
Il fouling viene efficacemente rimosso da lavaggi frequenti con
agenti ossidanti e la sua eliminazione influenza i costi operativi di
un impianto MBR.
MISURAZIONI SPECIFICHE DEGLI IMPIANTI MBR
Il corretto utilizzo di impianti MBR con membrane sommerse
richiede una serie di misurazioni particolari con strumentazioni
dedicate che non sono richieste nei tradizionali impianti a fanghi
attivi.
La prestazione idraulica delle membrane è il parametro più
importante nella conduzione degli impianti MBR ed è identificato
dal flusso specifico di permeato rapportato alla superficie attiva di
membrana disponibile per la filtrazione.
Facciamo un esempio: se il flussimetro dell’ impianto MBR posto
sull’ uscita del permeato indica una portata di 16.000 l/h2 e l’
di
impianto consiste in due moduli ognuno con 400 m
membrana funzionanti contemporaneamente, il flusso specifico si
ottiene con il seguente calcolo:
16.000 / (2x400) = 20 l/(m² x h).
Questo flusso tenderà a diminuire man mano che crescono i
depositi di fango sulle membrane ed aumenta il fouling delle
membrane, dato che ambedue questi fattori aumentano la
resistenza alla filtrazione dell’ impianto MBR.
Questa resistenza può essere misurata in base alla variazione della
pressione di aspirazione definita come pressione di trans
membrana TMP. Il valore di questa pressione di aspirazione varia
a seconda dei diversi moduli MBR e varia da ~ 10 mbar fino a 400
mbar (valori riferiti ai moduli BIO-CEL).
La pressione di transmembrana TMP ha ovviamnete un valore
massimo per proteggere l’integrità delle membrane (per esempio
è 400 mbar nei moduli BIO-CEL).
Il controllo del processo di filtrazione viene descritto qui di
seguito (filtrazione controllata in base al flusso di permeato) in®
riferimento ad un impianto tipo che utilizzi i moduli BIO-CEL
della MICRODYN-NADIR GmbH.
Il processo di filtrazione consiste in una serie di fasi diverse:
filtrazione, contro lavaggio/contro flusso, de-aereazione e pulizia.
Per estrarre il permeato (acqua pulita) dai fanghi attivi con le
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membrane si usano delle pompe del vuoto sul lato permeato. Il
contro-lavaggio si effettua ad intervalli di tempo stabiliti al fin di
mantenere a valori elevati la permeabilità delle membrane e viene
realizzato facendo girare al contrario la pompa di estrazione del
permeato
Tra la fase di filtrazione e la fase di contro-lavaggio e la
successiva ripresa della filtrazione, viene sempre prevista una fase
di arresto che serve per rilassare la membrana. La linea di
estrazione del permeato viene dea-aereata periodicamente, ma con
minore frequenza delle fasi di contro-lavaggio.
Le fasi di lavaggio chimico vengono effettuate ad intervalli di
tempo periodici stabiliti o possono essere richiesti in caso di
sporcamento particolare.
Per una migliore comprensione di un impianto di filtrazione e
della sua strumentazione, la figura 2 illustra schematicamente un
impianto con un modulo BIO-CEL.
Figura 2: Struttura schematica di un impianto
MBR con i
moduli BIO-CEL®
NOMENCLATURA
B01
B02
B03
B04
B05
P01
P02
P03
vasca ossidazione con sistema aereazione a bolle fini
serbatoio prodotti chimici di lavaggio ossidanti (es. NaOCl)
serbatoio prodotti chimici di lavaggio acidi (es. acido citrico)
vasca di filtrazione
vasca raccolta permeato
pompa alimentazione vasca ossidazione
pompa dosatrice agenti chimici ossidanti
pompa dosatrice agenti chimici acidi
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P04 pompa estrazione permeato (reversibile)
P05 pompa ricircolazione fanghi attivi (pompa a bassi giri con
portata 5 volte il permeato )
P06 pompa estrazione fanghi da vasca filtrazione
P07 pompa svuotamento vasca filtrazione
G01 soffiante vasca ossidazione
G02 soffiante per moduli MBR
S01 griglia con fori 2 mm
V01 valvola aperta/chiusa su linea permeato
V02 valvola aperta/chiusa su linea agenti chimici ossidanti
V03 valvola aperta/chiusa su linea agenti chimici acidi
V04 valvola aperta/chiusa per la de-aereazione
LIR sensori di livello (per le vasche B01-B04-B05)
QIR sensore misurazione ossigeno disciolto
TIR sensore di temperatura
QIR misuratore del pH – del contenuto di MLSS
FICR
flussimetro (permeato – ricircolazione fanghi)
PICR
sensore pressione
QIR misuratore torbidità
FIR misuratore volume aria soffiante per modulo MBR
Qui di seguito, illustriamo in dettaglio le più importanti
misurazioni (parametri da controllare /registrare) e gli strumenti
usati allo scopo.
PRESSIONI DI LAVORO
Tutti i sensori di pressione devono essere calibrati prima che l’
impianto di filtrazione a MBR inizi il suo funzionamento. La
calibrazione (definizione esatta dello zero) richiede delle
correzioni in base alla differenza di altezza tra il livello di acqua
nella vasca di filtrazione e la posizione del sensore di pressione..
Se il sensore di pressione è posizionato sotto il livello dell’ acqua
nella vasca di filtrazione, la pressione di transmembrana TMP va
calcolata sottraendo la differenza in altezza (h) tra il sensore ed il
livello dell’ acqua nella vasca (figura 3 – sinistra).
Se il sensore di pressione è posizionato sopra il livello dell’ acqua
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nella vasca di filtrazione, la pressione di transmembrana TMP va
calcolata aggiungendo la differenza in altezza (h) tra il sensore ed
il livello dell’ acqua nella vasca (figura 3 – destra).
Durante la calibrazione, la linea di estrazione del permeato deve
essere de-aereata.
Il valore di pressione misurata dopo la calibrazione durante la fase
di rilassamento della membrana (nessuna estrazione di permeato)
deve essere di “0 mbar “.
Figura 3: correzioni nei sensori di pressione
Per i moduli BIO-CEL® il valore minimo della TMP è fissato in 400 mbar valore limite al quale deve essere fermato il processo di
filtrazione per evitare danni alle membrane. Il valore massimo
della TMP durante il contro lavaggio è fissato in + 150 mbar.
Ambedue questi valori devono essere rispettati in ogni fase di
lavoro.
Permeabilità
La permeabilità è definita come rapporto tra flusso specifico del
permeato e TMP. La permeabilità è un parametro molto
importante per valutare le prestazioni delle membrane.
Viene calcolata solamente durante il processo di filtrazione nel
modo seguente .
Permeabilita =
flussospecifico
TMP
Esempio: modulo MBR BC400-series (400 m²)
Portata di permeato (misura):
= 10.0 m³/h
Flusso specifico:
6
=
10.0 m³ / h ⋅ 1000 L / m³
= 25.00 L /( m ² ⋅ h)
400 m ²
TMP (misura):
= 0.09 bar
Permeabilità
=
25.00 L /( m ² ⋅ h)
= 277.78 L /( m ² ⋅ h ⋅ bar )
0.09 bar
Sia il flusso specifico che la permeabilità sono influenzate dalla
temperature dell’ acqua da trattare ed i loro valori standard di
riferimento sono riferiti normalmente ad una temperatura di 20°C.
Esistono ovviamente delle curve che rappresentano queste
variazioni, come in figura 4, e questo spiega il perché di un
sensore di temperatura nell’ acqua da filtrare.
Figure 4: Relazione tra temperatura e flusso ®specifico per la
membrana UP150T (BIO-CEL )
L’ influenza della temperatura sulla permeabilità dipende dal tipo
di membrana usata nel modulo MBR. Normalmente il flusso
specifico aumenta con la temperatura a causa del diminuire della
viscosità del liquido da filtrare all’ aumento della temperatura.
La temperatura ha inoltre un effetto importante sulla formazione
del fouling, ma questo effetto non è riportato nel grafico
soprastante.
De-Aerazione
Un alto valore di TMP spesso causa un rilascio di gas nel
permeato che porta ad un accumulo di aria nella tubazione del
permeato. Questo accumulo di aria può causare una segnalazione
errata da parte dei sensori di pressione che potrebbe in alcuni casi
portare all’ arresto della filtrazione. Per questo è necessaria una
periodica, accurata ed automatica deaerazione, operazione che
viene abbinata periodicamente ad una fase di contro lavaggio.
Durante questo contro lavaggio, la valvola V01all’ uscita dell’
estrazione del permeato dal modulo MBR si chiude in
contemporanea con l’ apertura della valvola di ventilazioneV04
7
(Figura 5) per alcuni istanti.
Il dimensionamento del serbatoio di aerazione viene calcolato
moltiplicando il valore di 0.1 l il numero totale dei m2 di
membrana installati (per esempio nel caso di un solo modulo
BC400-Series: 0.1 x 400 = 40 L).
Figura 5:
De-aerazione della linea del permeato
Controllo del volume di aria soffiato sotto i moduli (CROSS
FLOW AERATION)
La maggior parte della pulizia delle membrane è effettuata dall’
aria che scorre sulla loro superficie dal basso verso l’ alto con una
certa velocità. Questa velocità è determinata in base a dei valori
specifici che garantiscono una efficace pulizia
e turbolenza. Per
2
esempio 3nei moduli
BIO-CEL 400 (400 m di membrana) è di
2
0.35 m aria/m membrana installata. Questo valore permette un
funzionamento regolare del modulo legato ad un determinato
flusso di permeato. Un valore minore di aria porta ad una minore
velocità di scorrimento dell’ acqua da filtrare sulle membrane con
un conseguente aumento dello sporcamento e di conseguenza dei
cicli di pulizia.
Un volume di aria ridotta porta ad un rapido aumento della TMP e
nei casi peggiori ad un intasamento delle membrane specialmente
in caso di arresto imprevisto della soffiante G02. Per questi
motivi è estremamente importante una misurazione ed una
registrazione dei volume di aria erogato dalla soffiante G02. In
alcuni casi il volume di aria viene stabilito/regolato dall’ operatore
considerando la perdita di pressione nei diffusori per avere il
volume di aria corretto. Questa operazione di regolazione in base
alle perdite di pressione risulta a volte imprecisa per perdite di
pressione irregolari dovute ad intasamento di solo alcuni diffusori,
percorso non lineare delle tubazioni dell’ aria , di diametri errati
8
delle stesse tubazioni e di posizionamento errato dei sensori di
pressione.
Misura dei solidi sospesi (MLSS = mixed liquid sospende
solids)
Gli impianti MBR offrono il vantaggio di poter operare con una
maggiore concentrazione di solidi sospesi : 8-15 g/l contri i n 5 g/l
dei sistemi a fanghi attivi (CAS = conventional activated sludge) e
questo offre il vantaggio di ridurre le dimensioni delle vasche di
trattamento.
La misurazione del valore di MLSS è importante per evitare l’
intasamento delle membrane in caso di concentrazioni di solidi
superiori a quelli consentiti..
Misura del pH
La misura del valore del pH è importante per effettuare una pulizia
chimica efficace senza danneggiare le membrane. Durante le
operazioni di pulizia chimica intensiva, l’ intero modulo MBR
viene immerso nella soluzione di lavaggio o all’ interno della
vasca di filtrazione o in una vasca separata/dedicata.
Per rimuovere il bio-fouling si usa dell’ ipoclorito di sodio
(NaOCl) nella concentrazione da 100 ppm a 1000 ppm (come
cloro attivo) che resta a contatto con il modulo per diverse ore
(dipende dal fouling). Il valore di pH del bagno deve rimanere tra
10 e 11 intervenendo se necessario aggiungendo NaOCl.
Un valore di pH > 11 porta ad un danneggiamento dei moduli.
Per la rimozione dei depositi minerali inorganici, consigliamo l’
uso di acido citrico (per esempio una soluzione al 2% di acido
citrico per alcune ore) od in alternativa l’ uso di acido formico o
acido acetico.
Il valore di Ph del bagno deve essere 2 sempre per evitare danni
al modulo.
CONCLUSIONI
Gli impianti MBR garantiscono una qualità superiore dell’ acqua
in uscita caratterizzata dalla completa rimozione dei solidi sospesi
e dei batteri ed un minore ingombro delle costruzioni civili dovute
alla mancanza delle vasche di sedimentazione.
Per operare correttamente gli impianti MBR occorrono una serie
di misurazioni e di apposite strumentazione , non richieste negli
impianti tradizionali a fanghi attivi.
Riteniamo che malgrado queste esigenze di misurazione e
strumentazione, l’ uso di impianti MBR sia quanto di meglio
disponibile per il trattamento delle acque di scarico sia civili che
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industriali WWTP = waste water treatment plants).
Referenze
Chang, I.-S., Clech, P. L., Jefferson, B., Judd, S. (2002) Membrane Fouling in Membrane
Bioreactors for Wastewater Treatment. Journal of Environmental Engineering 128(11),
1018-1029.
Judd, S. (2006) MBR Book: Principles and Application of Membrane Bioreactors in Water and
Wastewater Treatment. Elsevier Science.
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