I BIOREATTORI A MEMBRANA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE REFLUE

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1 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

2 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)

3 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

4 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

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6 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

7 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

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9 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

10 selettività di una membrana grado di selettività: diametro o peso molecolare delle sostanze rimosse

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12 MF UF NF RO BOD Durezza Metalli Nitrati Inquinanti organici Composti organici di sintesi TDS TSS Batteri Protozoi e uova di elminti Virus

13 alimento Q A, C A, P A concentrato Q C, C C, P C permeato Q P, C P, P P flusso di permeato: J = Q P /A reiezione del soluto: SR = (C A - C P )/C A fattore di recupero: RR = Q P /Q A

14 flusso di permeato J = (TMP σ K * Δπ)/ (μ * R M ) TMP (pressione di transmembrana): differenza di pressione (forza motrice) responsabile del flusso attraverso la membrana μ: viscosità assoluta dell acqua R M : resistenza idraulica della membrana pulita, inversamente proporzionale alla permeabilità idraulica della membrana e direttamente proporzionale allo spessore della membrana σ K : costante empirica Δπ: contropressione conseguente al fenomeno osmotico

15 direzioni di flusso cross-flow: bassa velocità di accumulo, alti consumi energetici per ricircolo, TMP = (P A P C )/2 - P P dead-end: alta velocità di accumulo, bassi consumi energetici, TMP = P A - P P

16 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)

17 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

18 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

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20 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

21 side-stream vs. moduli sommersi side-stream filtrazione cross-flow (in-out) membrane tubolari o plate-and-frame elevato tasso di ricircolo (R=25 50) moduli sommersi filtrazione dead-end (in-out) fibre cave o plate-and-frame assenza di ricircolo di miscela aerata alto impegno energetico (6 8 kwh/m 3 ) basso costo energetico (< 200 Wh/m 3 ) elevati valori di TMP e flusso specifico controllo del fouling mediante alta velocità del flusso nei moduli bassi valori di TMP e flusso specifico controllo del fouling mediante bolle di aria sulla superficie delle membrane

22 moduli di membrane, geometrie

23 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

24 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

25 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

26 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

27 key-factors in mbr

28 mbr, vantaggi elevata concentrazione della biomassa: g/l MLSS elevata età del fango: > 30 giorni tasso di crescita dei microorganismi nel bioreattore molto basso

29 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

30 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 kg SS /(kg COD *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

31 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

32 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, CaCO 3 ), proteine e materiale organico ed inorganico colloidale fouling biologico, attribuibile alla crescita di colonie sulla superficie della membrana (polimeri extracellulari escreti da microrganismi)

33 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

34 grazie per la dissimulata noia la paura della noia è la sola scusa del lavoro [jules renard]

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