I bioreattori a membrane

1. I bioreattori a membrane Claudio Lubello Dipartimento Ingegneria Civile

2. Filtrazionesu Membrana Separazione fisica di solidi sospesi, colloidali o disciolti da un mezzo liquido o gassoso. Membrana Forza motrice: PRESSIONE POTENZIALE ELETTRICO TEMPERATURA GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE COMBINAZIONE DI DIVERSE FORZE MOTRICI

3. Concentrato QC, CC, PC Q = p ´ RR 100 Q = J P Q A A Flusso permeato Fattore di recupero Permeato QP, CP, PP C - C p = = A A ´ 100 SR SR C A A = area filtrante Alimento QA, CA, PA Reiezione del soluto

4. Flusso di permeato Dove TMP è la differenza di pressione attraverso la membrana (pressione di transmembrana),  è la viscosità assoluta dell’acqua, Rm è la resistenza idraulica della membrana pulita (inversamente proporzionale alla permeabilità idraulica della membrana e direttamente proporzionale allo spessore x della membrana), k è una costante empirica e  è la contropressione dovuta al fenomeno osmotico.

5. Solidi sospesi Batteri Emulsioni Macromo-lecole Colloidi Virus Proteine Composti basso P.M. ioni MICROFILTRAZIONE ULTRAFILTRAZIONE NANOFILTRAZIONE OSMOSI INVERSA La più importante classificazione delle membrane è basata sul grado di selettività (diametro o peso molecolare) delle sostanze rimosse

6. Effetto su alcuni parametri

7. Bioreattore a Membrana (MBR) IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI Unità di filtrazione Sedimentatore secondario Reattore biologico PERMEATO La biomassa è separata dall’acqua trattata grazie all’unità di filtrazione costituita dalle membrane I solidi ed i microrganismi sono separati dall’acqua trattata all’interno del sedimentatore secondario

8. Q Qr Q+Qr Q Bioreattore UF/MF Configurazioni di MBR 1) Side-stream Il modulo a membrane è esterno al bioreattore (vasca di ossidazione): la miscela aerata è pertanto fatta circolare nel modulo esterno con un ricircolo del retentato (più concentrato) verso il bioreattore.

9. Q UF/MF Q Bioreattore Influent Q Riciclo dei fanghi Qr Permeato Q Q+Qr Bioreattore Membrane tank Configurazioni di MBR 2) Membrane sommerse a) La separazione avviene all’interno dello stesso bioreattore, senza necessità di ricircolo b) La separazione avviene in un contenitore posto ad quota superiore rispetto al bioreattore (solitamente proprio sopra). Il ricircolo dei fanghi avviene per gravità.

10. 1989 [Yamamoto] 2005 [Zenon , Kubota et al.] • Oltre 1000 MBR nel mondo per un volume complessivo prodotto > 60 ML/d ~90% con membrane sommerse

11. Dead-end Flusso alimento Spessore cake Alta velocità di accumulo Veloce diminuzione di flusso Flusso permeato Bassi consumi energetici tempo Flusso permeato Cross-flow Flusso alimento Minore accumulo Diminuzione di flusso più lenta Flusso permeato Spessore cake Alti consumi energetici per il ricircolo tempo Flusso permeato Direzione del flusso e meccanismi di fouling

12. La pressione di transmembrana Indicata con p o TMP è la forza motrice che determina il moto di filtrazione attraverso la membrana. Nel caso di filtrazione cross-flow: In cui: Pf = pressione del flusso di alimento Pc = pressione del flusso di concentrato Pp = pressione del flusso di permeato Nel caso di filtrazione dead-end:

13. Andamento del flusso di permeato In presenza di materiali disciolti e/o colloidali, l’aumento del flusso di permeato risulta essere in un primo momento lineare con l’incremento di pressione transmembrana (“regione controllata dalla pressione”). Oltre un certo valore della pressione, gli incrementi di flusso diminuiscono sempre di più ad ogni aumento di pressione finché non si arriva ad un valore pressoché costante del flusso (steady state), indipendente dalla pressione (“regione controllata dal trasferimento di massa”).

14. Geometria e configurazione dei moduli • A SPIRALE AVVOLTA (spiral wound): Due membrane vengono incollate su tre lati; il quarto lato viene lasciato aperto e collegato al tubo di raccolta del retentato. Viene utilizzata per NF, OI e UF. • Vantaggi: elevati rapporti sup/vol (800-1000 m2/m3) e massima compattezza. • Svantaggi: rapido intasamento (per le basse velocità tangenziali e dimensioni ridotte dei passaggi). • A FIBRE CAVE (hollow fibre):Sono tubi capillari costituiti da una guaina di supporto ad elevata porosità sulla quale è appoggiata la membrana vera e propria ( = 40m). Rapporto sup/vol tra 1000 e 10000 m2/m3. • TUBOLARI (tubular): La membrana è appoggiata sulla parete interna di un tubo poroso, utilizzate per MF e UF. • Vantaggi: elevate velocità di filtrazione (utilizzati per flussi carichi di SS). • AD UNITA’ PIANE CON SUPPORTO (plate and frame): Le membrane vengono appoggiate su supporti piani frapposte da una rete spaziatrice per permettere il deflusso del permeato. Rapporti sup/vol 100-400 m2/m3

15. Spirale avvolta Anti telescoping devices Tubo di raccolta del permeato Concentrato Alimento Permeato Concentrato Alimento Membrana Spaziatore Alimento attraverso rete spaziatrice Membrana Spaziatore raccolta permeato Rete spaziatrice Rete spaziatrice

16. Spirale avvolta

17. grezza retentato permeato Tubolari La membrana viene fissata all’interno di un tubo poroso, il fluido permea dall’interno verso l’esterno e viene raccolto da un mantello che, nel caso di membrane inorganiche è costituito da un materiale poroso che fa da supporto a molti tubi. I campi di applicazione di questi moduli sono molto vari, sono usati soprattutto per fluidi carichi di solidi sospesi potendo mantenere velocità all’interno dei tubi molto alte.

18. Fibra cava Filtrazione del permeato Controlavaggio La filtrazione avviene grazie al gradiente di pressione che si crea fra l’interno e l’esterno della fibra cava con la pompa di filtrazione Si effettua un controlavaggio con un flusso di aria o permeato in direzione opposta a quella di filtrazione per ridurre problemi di fouling Il permeato viene convogliato all’interno della fibra e raccolto in testa al modulo Aria-Permeato Permeato

19. Parametri operativi • Concentrazione dell’alimento • TMP • Turbolenza vicino alla superficie della membrana, ottenuta tramite sforzi di taglio indotti dalla velocità tangenziale o tramite promotori di turbolenza all’interno del sistema • Temperatura

20. Confronto fra le due soluzioni • 1)Side-stream: • Filtrazione Cross-flow (in-out) • Membrane tubolari o “plate and frame” • Elevato tasso di ricircolo (r = 25-50) • Elevato costo energetico (6-8 kWh/m3) • Elevata TMP e flusso specifico (P =1-5 bar, J = 50-120 L/(h m2)) • Controllo del Fouling attraverso un’elevata velocità nei moduli (v = 2-5 m/s) • 2) Membrane sommerse: • Filtrazione Dead-end (out-in) • Fibre cave (preferenzialmente) e “plate and frame” • Assenza del ricircolo di miscela aerata • Basso costo energetico (0.003-0.02 kWh/m3) • Bassa TMP e flusso di permeato (P =0.1-0.6 bar, J = 10-20 L/(h m2)) • Controllo del Fouling con immissione di bolle d’aria sulla superficie delle • membrane (air-lift)

21. MBR, principali vantaggi • Concentrazione della biomassa molto maggiore rispetto a sistemi tradizionali (10-30 g/l of MLSS). • In questo modo è possibile ottenere, a parità di altri parametri, elevate età del fango e quindi bassa produzione di fango. • L’età del fangoè molto alta ( > 30 d), ciò consente la crescita di microrganismi a tasso di crescita molto basso all’interno del bioreattore.  Il valore massimo di concentrazione del fango può essere calcolato nelle ipotesi di SRT tendente all’infinito.

22. Problemi… • Se la concentrazione di solidi sospesi nella miscela aerata aumenta decresce il flusso specifico di permeato: • In particolare nei sistemi side-stream l’aumento di viscosità dovuta alla concentrazione del fango può incrementare le perdite di carico idraulico e quindi le spese energetiche; • L’incremento della concentrazione porta ad un incremento del consumo di ossigeno con più basse rese di trasferimento; • La diminuzione della temperatura comporta una consistente diminuzione del flusso; • Sono presenti talvolta fenomeni di formazione di schiume.

23. Qualità dell’effluente di acque reflue civili • Efficienze di rimozione comprese fra il 90% ed il 97%. • L’effluente in termini di COD è sempre < 40 mg/l. Il miglioramento delle performance rispetto ad un impianto tradizionale sono dovute anche alla rimozione dei solidi sospesi dpvuta alle membrane ( 99.9 % di SST). • Ad età del fango superiori a 5 giorni si ha sempre completa nitrificazione. Si ricordi che nel caso di un MBR HRT ed SRT sono completamente indipendenti.

24. Qualità dell’effluente di scarichi industriali • Gli scarichi industriali tipici trattati da impianti MBR riguardano: alimentari, tessili, caseari, da cotonifici, conciari, da fabbriche di birra, petroliferi, chimici, farmaceutici, percolati di discarica. • In letteratura sono indicate efficienze di rimozione comprese fra 90 e 98%. • Le età del fango variano fra 6 e 300 giorni. • In alcuni casi può essere opportuno in fase di avvio diluire lo scarico per evitare l’inibizione dei nitrificanti. • Ottimi risultati sono stati ottenuti nell’eliminazione di diversi composti recalcitranti. • La produzione di fanghi è analoga a quella degli impianti civili, tipicamente compresa fra 0.05 e 0.35 kg SS kg-1COD d-1.

25. Il fouling “Fouling” è il termine generico utilizzato per indicare un processo che determina l’incremento della resistenza al moto di permeazione attraverso la membrana. Ciò è dovuto all’adsorbimento o al deposito sulla superficie della membrana (formazione di un cake), adsorbimento nei pori (restrizione dei pori) o completa occlusione dei pori. 1) Fouling fisico-chimico: può essere attribuito a composi inorganici (Fe, Mn, idrossidi di Al, CaCO3), proteine and materiale organico ed inorganico colloidale. 2) Fouling biologico: attribuito alla crescita di microrganismi sulla superficie della membrana. Una delle cause note di fouling è la presenza di polimeri extracellulari (EPS) esecreti dai microrganismi.

26. Sistemi di controllo del fouling 1) E’ difficile rimuovere gli agenti sporcanti in ingresso perché costituiscono una buona parte del carico organico che lo stesso MBR dovrebbe rimuovere. 2)Pulizia chimica delle membraneè possibile con agenti ossidanti (p.es. NaOCL), acidi (p.es. HCl) e basi (p.es. NaOH) per rimuovere il fouling organico ed inorganico. Questa tecnica è adottata quando si ha la formazione di fouling irreversibile. 3)Pulizia meccanica delle membrane: il controlavaggio rompe lo strati di cake. P.es. nell’ MBR Zenon ogni 360 sec di filtrazione si opera un controlavaggio di 60 sec. 4)Promozione della turbolenze è ottenuta con l’incremento della velocità di cross-flow nei sistemi side-stream e con l’aerazione nei caso di membrane immerse.

27. Analisi di costo • Il costo più significativo è indubbiamente quello delle membrane. Tale componente è proporzionale alla dimensione dell’impianto e non decresce per unità di carico come nel caso dei trattamenti tradizionali. • Attenzione alla variazione delle portate (tempo umido / tempo secco).

28. Esempio: Rimozione colore acque tessili Effluente chiariflocculazione Effluente Ozonizzazione Effluente pilota MBR 0,090 0,074 0,070 Abs. a 420 nm

29. Esempio: aggiunta PAC Il mantenimento del letto di carbone in un impianto tradizionale a fanghi attivi • Migliorare la stabilità del sistema durante gli shock di carico attraverso l’adsorbimento IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI PAC • Incrementare la rimozione del COD attraverso l’adsorbimento dei composti organici non biodegradabili COSTOSOperchè un impianto tradizionale a fanghi attivi generalmente lavora con valori dell’età del fango bassi Reattore biologico Sedimentatore secondario • Migliorare la rimozione del colore DIFFICILE perché parte del carbone attivo può essere persa con il chiarificato • Migliorare la sedimentazione e la disidratazione del fango • Favorire lo sviluppo dei microrganismi: • Adsorbendo le sostanze che potrebbero risultare tossiche o inibenti; • Fornendo una superficie su cui crescere. L’uso di carboni attivi in un impianto MBR può risultare particolarmente VANTAGGIOSO

30. STABILITÀ DEL SISTEMA Esempio: aggiunta PAC Senza carbone attivo Carbone in concentrazione 1,5 g/L Ridotta variabilità della qualità del refluo in uscita in presenza di carbone attivo in polvere Carbone in concentrazione 3 g/L

31. Grazie per l’attenzione