Esperienze di start-up di impianti MBR

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2 Esperienze di start-up di impianti MBR Michele Torregrossa Università di Palermo

3 Esperienze di start-up di impianti MBR Obiettivo Studio delle condizioni di avviamento più adeguate per il raggiungimento delle perfomance ottimali della membrana e per ridurre al minimo gli effetti del fouling. avviamento senza inoculo di di fango avviamento con inoculo di di fango

4 Esperienze di start-up di impianti MBR Aspetti analizzati Studio delle crescita netta di biomassa nelle due condizioni di avviamento. Studio della rimozione del substrato e delle sostanze disciolte in condizioni di normale esercizio e durante prove di filtrazione di refluo grezzo. Stima della variazione delle dimensioni dei fiocchi durante il periodo di avviamento. Valutazione del fouling a cui viene assoggettata la membrana con le relative influenze sulla pressione transmembrana.

5 Esperienze di start-up di impianti MBR ESPERIENZE condotte dal Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali dell Università di Palermo IMPIANTO PILOTA PER LA RIMOZIONE DEL CARBONIO E PER LA NITRIFICAZIONE ATTIVATO E MANTENUTO PER DUE PERIODI DI 70 GIORNI La prima fase (70 giorni), conclusa a novembre 2005, è stata dedicata allo studio dell avviamento dell impianto, che è stato effettuato senza inoculo di fango attivo ed in condizioni di carico volumetrico costante. La seconda fase, tutt ora in corso, che ha già superato i 70 giorni dall avviamento, è dedicata allo studio del comportamento del reattore MBR nel caso in cui l avviamento sia effettuato con inoculo di fango attivo.

6 Esperienze di start-up di impianti MBR L impianto pilota MBR Membrane a fibre cave Condizioni sperimentali Modulo Zenon ZW 10 Portata in ingresso: 15 l/h Portata di permeato estratta: 19 l/h Portata di controlavaggio: 4 l/h COD in : 500 mg/l C v : 1 kgcod/m 3 d Volume reattore: 190 l porosità: 0,04 mm superficie nominale: 0,93 m 2. Durata dell aspirazione: 9 min Durata del controlavaggio: 1 min

7 Schema dell impianto pilota Esperienze di start-up di impianti MBR

8 Panoramica dell impianto Esperienze di start-up di impianti MBR

9 Analisi del funzionamento dell impianto pilota

10 Esperienze di start-up di impianti MBR Punti di prelievo per il controllo del processo Sezioni di misura A B C

11 Analisi del funzionamento dell impianto pilota Parametri chimico-fisici COD, COD sol, BOD 5, N-NH 4, N-NO 2, N-NO 3, P-P tot, P-PO 4, temperatura, ossigeno disciolto, ph, solidi sospesi totali (SST) e volatili (SSV), DSVI Analisi batteriologiche Analisi e controlli eseguiti Escherichia Coli Analisi microscopiche morfologiche

12 Analisi del funzionamento dell impianto pilota mg/l mg/l Andamento del COD in Ingresso e nel permeato Andamento del COD in Ingresso e nel permeato COD A COD A COD C COD C Analisi dei risultati I periodo Andamento COD e COD sol giorni giorni mg/l mg/l Andamento del COD sol in Ingresso e nel permeato Andamento del COD sol in Ingresso e nel permeato CODsol A CODsol A 300 CODsol C 300 CODsol C giorni giorni

13 Analisi del funzionamento dell impianto pilota Analisi dei risultati I periodo Rendimenti di rimozione COD e COD sol Rendimenti Rendimenti di di rimozione rimozione del del COD COD e e COD COD sol sol 100,0 100,0 90,0 90,0 80,0 80,0 70,0 70,0 60,0 60,0 50,0 50,0 40,0 40,0 30,0 30,0 20,0 20,0 10,0 10,0 0,0 0,0 % % COD COD COD sol COD sol giorni giorni 56 56

14 Analisi del funzionamento dell impianto pilota Analisi dei risultati I periodo Rendimenti di rimozione BOD 5 Rendimento BOD BOD 100,00 100,00 90,00 90,00 80,00 80,00 70,00 70,00 60,00 60,00 50,00 50,00 40,00 40,00 30,00 30,00 20,00 20,00 10,00 10,00 0,00 0, giorni giorni

15 Analisi del funzionamento dell impianto pilota Analisi dei risultati I periodo Andamento SST e SSV in ingresso e nel permeato mg/l mg/l Andamento Andamento dei dei SST SST in in ingresso ingresso e e nel nel permeato permeato SST A 700 SST A SST C SST C giorni giorni

16 Analisi del funzionamento dell impianto pilota Analisi dei risultati Andamento SST nel bioreattore SST SST (mg/l) (mg/l) Periodo - senza inoculo Periodo - senza inoculo periodo - inoculo periodo - inoculo Tempo Tempo (giorni) (giorni)

17 Analisi del funzionamento dell impianto pilota Analisi dei risultati Crescita netta di SST mg/l/ crescita netta crescita globale accumulo di SST-IN Poli. (crescita netta) Gli SST a confronto tempo (giorni) 1 Periodo 1 Periodo

18 Analisi del funzionamento dell impianto pilota Analisi dei risultati Crescita netta: NULLA Andamento dei SST depurati dal contributo esterno mg/l andamento netto senza accumulo SST misurati 2 Periodo 2 Periodo giorni

19 Analisi del funzionamento dell impianto pilota Analisi dei risultati 1 periodo COD ηmedio = 90 % COD SOL ηmedio = 77 % BOD 5 ηmedio = 94 % SST ηmedio = 99,9 % E. Coli ηmedio = 6 LOG Influenza primi giorni 2 periodo COD ηmedio = 92 % COD SOL ηmedio = 80 % BOD 5 ηmedio = 94 % SST ηmedio = 99,9 % E. Coli ηmedio = 6 LOG SST nel reattore = 0-21 g/l SST nel reattore = g/l Nitrificazione

20 Analisi del funzionamento dell impianto pilota Analisi dei risultati Nitrificazione Andamento delle forme di azoto nella sezione A Andamento delle forme di azoto nella sezione A Alimentazione 80,0 80,0 70,0 70,0 60,0 60,0 50,0 50,0 mg/l mg/l 40,0 40,0 30,0 30,0 20,0 20,0 10,0 10,0 0,0 0, N-NH4 N-NH4 N-NO3 N-NO3 N-NO2 N-NO2 70,00 70,00 Andamento delle forme di azoto nella sezione C Andamento delle forme di azoto nella sezione C Permeato giorni giorni 60,00 60,00 50,00 50,00 mg/l mg/l 40,00 40,00 30,00 30,00 N-NH4 N-NH4 N-NO3 N-NO3 N-NO2 N-NO2 20,00 20,00 10,00 10,00 0,00 0, giorni giorni

21 Analisi del funzionamento dell impianto pilota L influenza della membrana sull efficienza dell impianto Rendimenti di filtarzione durante le prove di filtrazione rendimenti (%) 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 Solo filtrazione di refluo Filtrazione e rimozione biologica 20,00 10,00 0,00 COD CODsol BOD5 NTOT N-NH4 N-NO3

22 Analisi della morfologia dei fiocchi

23 Analisi della morfologia dei fiocchi Modifiche della morfologia dei fiocchi Acquisizione delle immagini Campione di MLSS Diluizione a 3g/l Analisi granulometria con software (GRANIX TM ) Ingrandimento 100x Superficie investigata = 0.4 cm 2

24 Analisi della morfologia dei fiocchi Modifiche della morfologia dei fiocchi Analisi dei risultati: modifiche della morfologia della biomassa rappresentazione grafica della distribuzione delle dimensioni delle particelle tramite istogramma diametro medio, moda, diametro massimo e diametri caratteristici D 10, D 25, D 50, D 75 e D 90

25 Analisi della morfologia dei fiocchi Modifiche della morfologia dei fiocchi 1 Periodo 1 Periodo (µm) (µm) tempo tempo (gg) (gg) D50 D50 [µm] [µm] D90 D90 [µm] [µm]

26 Analisi della morfologia dei fiocchi Modifiche della morfologia dei fiocchi 1 Periodo 1 Periodo All interno del bioreattore si è verificato un fenomeno di deflocculazione della biomassa (eccetto l incremento occasionale del 24 giorno), con destrutturazione dei fiocchi e presenza elevata di microfiocchi, causato: dai lunghi tempi di residenza cellulare dei fanghi nel sistema e dal rapido raggiungimento delle condizioni endogene dalla turbolenza all interno del bioreattore causata dai meccanismi di aerazione. Tali modifiche delle morfologia della biomassa hanno influenzato il fouling della membrana

27 Analisi della morfologia dei fiocchi Modifiche della morfologia dei fiocchi 2 Periodo 2 Periodo Effetto del secondo inoculo Effetto del secondo inoculo parziale fatto il terzo giorno per parziale fatto il terzo giorno per portare SST da 7 a 15 g/l portare SST da 7 a 15 g/l D90 D90 D50 D50 D50, D90 [Ξm] D50, D90 [Ξm] µ riduzione turbolenza riduzione turbolenza nella vasca di ossidazione nella vasca di ossidazione Tempo [giorni] Tempo [giorni]

28 Analisi della morfologia dei fiocchi Modifiche della morfologia dei fiocchi 2 Periodo 2 Periodo All interno del bioreattore si è verificato un costante fenomeno di deflocculazione con destrutturazione dei fiocchi, fortemente influenzato dalla elevata turbolenza dovuta ai sistemi di aerazione. In occasione di occasionali riduzione della portata di aria, sistematicamente, si osservato, dopo breve tempo, un tendenza alla riflocculazione. Globalmente, come nel 1 periodo, i fiocchi raggiungono, a regime, dimensioni inferiori a µm.

29 Analisi del fouling

30 Analisi del fouling Il fouling È il deposito di sostanze sospese o disciolte sulla superficie esterna della membrana, sui dei pori o all interno. Le cause: fenomeni chimico fisici nel reattore biologico caratteristiche delle membrane tipo di influente da trattare composizione del fango Fouling Aumento della resistenza alla permeazione

31 Analisi del fouling Modello delle resistenze in serie È basato sul concetto che la diminuzione del flusso o l aumento della TMP sono dovuti ad una serie di resistenze che si aggiungono alla resistenza della membrana durante il periodo di filtrazione La resistenza dovuta allo sporcamento irreversibile (R irr ) è causata quasi totalmente dal fenomeno del pore blocking. La resistenza reversibile è quasi completamente provocata da cake deposition. Entrambe possono essere quantificate studiando l evoluzione temporale della TMP, mantenendo costante il flusso del permeato. TMP pore blocking cake 1 cake 2 1 fase 2 fase 3 fase Tempo (s)

32 Analisi del fouling Modello delle resistenze in serie Resistenze studiate: Resistenza dovuta al pore blocking Resistenza del cake Calcolo delle resistenze Le resistenze sono calcolate secondo l equazione seguente: R T TMP µ J dove: J : flusso di permeato (dalla portata di estrazione) [m 3 /m 2 s] TMP : pressione di transmembrana [Pa]; µ : viscosità del permeato [Pa s]; R T : resistenza totale [m -1 ]. =

33 Sistema di acquisizione Analisi del fouling

34 Analisi del fouling Sistema di acquisizione tempo (sec) R T = TMP µ J

35 Analisi del fouling Studio delle resistenze Zona in cui agisce solo il cake Zona di transizione (agisce il cake, il pore blocking è trascurabile) Resistenza irreversibile Resistenza del pore blocking

36 Analisi del fouling La resistenza idraulica a membrana pulita Nel periodo antecedente all inizio della sperimentazione con il refluo, si è studiata Confronto tra i dati DI RESISTENZA A MEMBRANA PULITA l evoluzione della resistenza della membrana in acqua pulita, al fine di determinare la resistenza caratteristica della membrana, R m. 6,00 Studio delle resistenze 5,00 4,00 R (m -1 ) 3,00 2,00 1,00 0,00 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 21,0 22,0 23,0 24,0 25,0 PORTATE (lh -1 m -2 )

37 Analisi del fouling Calcolo delle resistenze Le resistenze sono definite dalle seguenti espressioni: R m = TMP H 2 µ J O R Irr = TMP µ J * R m R Re v = R T R Irr R m TMP H2O = pressione transmembrana misurata in acqua pulita TMP* = il primo valore utile di TMP misurata dopo il controlavaggio

38 Analisi del fouling Andamento della Resistenze durante i vari cicli studiati Andamento Andamento delle delle resistenze resistenze totale totale nel nel ciclo ciclo di di studio studio giornaliero giornaliero 3,4E+12 3,4E+12 3,15E+12 3,15E+12 2,9E+12 2,9E+12 2,65E+12 2,65E+12 2,4E+12 2,4E+12 2,15E+12 2,15E+12 1,9E+12 1,9E+12 1,65E+12 1,65E+12 1,4E+12 1,4E+12 1,15E+12 1,15E+12 9E+11 9E+11 6,5E+11 6,5E+11 4E+11 4E RT(m RT(m -1-1 ) ) giorno1 giorno1 giorno 5 giorno 5 giorno 10 giorno 10 giorno 15 giorno 15 giorno 20 giorno 20 giorno 25 giorno 25 giorno 30 giorno 30 giorno 34 giorno 34 giorno 40 giorno 40 giorno 46 giorno 46 giorno 50 giorno 50 tempo tempo (sec) (sec)

39 Analisi del fouling Andamento della Resistenza totale RT (10 RT ( m -1-1 ) ) 45,00 45,00 40,00 40,00 35,00 35,00 30,00 30,00 25,00 25,00 20,00 20,00 15,00 15,00 10,00 10,00 5,00 5,00 0,00 0,00 1 Periodo: senza inoculo 1 Periodo: senza inoculo lavaggio lavaggio 2 Periodo: con inoculo 2 Periodo: con inoculo spurgo spurgo Tempo Tempo (giorni) (giorni)

40 Analisi del fouling Andamento della Resistenza dovuta al fouling irreversibile Rirr Rirr (10 ( m -1-1 ) ) 30,00 30,00 25,00 25,00 20,00 20,00 15,00 15,00 10,00 10,00 1 Periodo: senza inoculo 1 Periodo: senza inoculo lavaggio lavaggio spurgo spurgo 5,00 5,00 2 Periodo: con inoculo 2 Periodo: con inoculo 0,00 0, Tempo Tempo (giorni) (giorni)

41 Analisi del fouling La resistenza del cake irreversibile Durante il periodo di funzionamento, si accumula tra le fibre uno stato di cake che possiamo definire Cake irreversibile. Questo accumulo può essere rimosso con una semplice pulizia esterna (non chimica) della membrana, ma non con il solo controlavaggio di processo.

42 Analisi del fouling Andamento della Resistenza dovuta al fouling reversibile 12,00 12,00 lavaggio lavaggio 10,00 10,00 Rrev Rrev (10 ( m- m- 1 ) 1 ) 8,00 8,00 6,00 6,00 4,00 4,00 2,00 2,00 1 Periodo: senza inoculo 1 Periodo: senza inoculo spurgo spurgo 2 Periodo: con inoculo 2 Periodo: con inoculo 0,00 0, Tempo Tempo (giorni) (giorni)

43 Analisi del fouling Andamento della Resistenze durante la sperimentazione Si può evidenziare: il pore blocking è la frazione che più influisce sulla resistenza totale; la crescita del pore blocking è correlabile anche con l evoluzione della morfologia della biomassa all interno del reattore biologico; il ruolo del cake irreversibile comincia ad influire sulla resistenza totale solo per valori della concentrazione di SST > 8 g/l, comunque dopo il giorno (1 periodo sperimentale); La resistenza del cake cresce, ad esclusione della prima settimana, con velocità maggiore rispetto alla resistenza dovuta al pore blocking (predomina sempre il pore blocking 1 periodo sperimentale)

44 Conclusioni

45 Conclusioni Le due condizioni di avviamento esaminate hanno comportato differenti sviluppi di biomassa nel sistema: Nel caso senza inoculo, a fronte di una notevole crescita di solidi ritenuti nel reattore, si è manifestata un incremento di biomassa (crescita netta) che però, tende a rallentare fortemente dopo i primi 50 giorni di funzionamento. Nel caso con inoculo, invece, la crescita netta è praticamente nulla. Nei due casi, a meno di levi differenze di rendimento osservate nei primi giorni durante il 1 periodo sperimentale, l efficienza depurativa del sistema è risultata praticamente analoga. La capacità di nitrificazione nel sistema avviato con inoculo si è, ovviamente, manifestata in anticipo.

46 Conclusioni Il fenomeno della deflocculazione si è manifestato con progressione costante fino al raggiungimento delle condizioni di regime. Durante il primo periodo, dopo una prima fase di effettiva flocculazione, al raggiungimento di concentrazioni elevate di biomassa, si è innescato il fenomeno della deflocculazione. Solo occasionali riduzioni della portata di aria, e quindi di turbolenza, modificano l andamento del fenomeno (aumento delle dimensioni caratteristiche dei fiocchi). L analisi delle resistenze ha evidenziato come nel 2 periodo, la presenza di fiocchi di fango ben formati, all atto dell attivazione, ha comportato un sostanziale beneficio in termini di contenimento del fouling. Ciò può consentire una maggiore durata della vita utile della membrana o, in ogni caso, una riduzione dei consumi per controlavaggi e lavaggi chimici.

47 Grazie per l attenzione