La progettazione e il dimensionamento della sezione di

Transcript

1 Corso di formazione: La progettazione e la gestione degli impianti MBR La progettazione e il dimensionamento della sezione di filtrazione negli impianti MBR Dott. Matteo Vanossi Ecomondo 4 Novembre 2015

2 SOMMARIO. INTRODUZIONE Ambito di applicabilità Il processo di filtrazione Dispositivi di filtrazione LA PROGETTAZIONE DELL UNITA DI FILTRAZIONE Calcolo della superficie di filtrazione e configurazione sezione Dimensionamento macchine accessorie Dotazioni strumentali 2

3 3 INTRODUZIONE

4 INTRODUZIONE: campo di applicabilità. Worldwide MBR drivers MBR technology challenges Data Sources: Investigation of MBR Effluent Water Quality and Technology A Worldwide Survey (WRF ) MWH Main technical challenges of MBR A survey of MBR users and suppliers Santos et al,

5 GHD Study 2012

6 6 IL PROCESSO DI FILTRAZIONE

7 INTRODUZIONE: definizione di filtrazione. La filtrazione è l operazione di separazione solido-fluido in cui le particelle solide in sospensione in un fluido sono trattenute da un setto poroso (corpo filtrante) che, grazie all azione di un gradiente di pressione, consente il passaggio del fluido, reso così limpido ( filtrato); le particelle solide rimosse vanno a formare sul setto il cosiddetto panello (o torta). Filtrazione di profondità Nella filtrazione di profondità le particelle sospese nel fluido di processo vengono trattenute prevalentemente all'interno della rete continua di capillari di cui è costituita la struttura porosa del mezzo filtrante. Filtri di superficie La ritenzione delle particelle nella filtrazione di superficie, detta anche filtrazione di rifiuto, avviene principalmente per un meccanismo di setacciamento o vagliatura, in quanto le particelle vengono trattenute sulla superficie del filtro (rifiutate), avendo esse un diametro maggiore di quello dei pori del mezzo filtrante. 7

8 INTRODUZIONE: Le filtrazione su membrana: perché?. Quali caratteristiche deve avere un filtro in un impianto MBR? Trattenere quantitativamente i fanghi attivi Riduzione della carica batterica Elevata produttività Continuità operativa Rigenerabilità Tempi di vita lunghi Un filtro a membrana opportunamente gestito risponde a questi requisiti 8

9 INTRODUZIONE: Le filtrazione su membrana: perché?. La distinzione fra filtrazione di superficie e di profondità è solo formale; nella realtà i due processi avvengono contestualmente. Le membrane sono filtri di superficie ma manifestano anche una certa ritenzione di profondità: le particelle con dimensioni inferiori a quelle dei pori o le sostanze disciolte possono essere trattenute all'interno del mezzo filtrante La filtrazione convenzionale (ortogonale) produce depositi (cake) che contrastano il passaggio del fluido (aumento gradiente di pressione). Il materiale di cui è costituita la membrana tende ad adsorbire le sostanze disciolte presente in soluzione. Questi fenomeni devono essere contrastati 9

10 INTRODUZIONE: filtrazione ortogonale e filtrazione tangenziale. 10

11 INTRODUZIONE: filtrazione su membrana glossario. Porosità: La porosità di un materiale è una grandezza scalare ed è genericamente definita come il rapporto tra il volume dei vuoti (pori), V p ed il volume totale V m del materiale considerato: V p /V m Grado di filtrazione: Il grado di filtrazione è la dimensione in m della particella più piccola che il filtro è in grado di trattenere. 11

12 INTRODUZIONE: Microfiltrazione e ultrafiltrazione. 12

13 INTRODUZIONE: Grado di filtrazione. Per alcuni mercati specifici esistono enti legislativi che definiscono dei protocolli standard a cui i produttori di membrane si devono attenere per misurare il grado di filtrazione dei propri prodotti. Ad esempio nel mercato farmaceutico FDA : Il Filtro sterilizzante (0,22 mm) è quel filtro in grado di fornire un effluente sterile da una soluzione di Brevundimonas diminuta preparata per dare un carico di 10 7 UFC/cm² di superficie filtrante (con metodologia ASTM). Nel campo delle acque non esiste alcuna indicazione che definisca un metodo di misura standard per cui ogni produttore misura il grado di filtrazione del proprio prodotto seguendo una propria metodologia. 13

14 INTRODUZIONE: Glossario. Flusso: quantità di fluido che attraversa che attraversa l unità di superficie della membrana. Permeabilità: indica la proprietà della membrana di lasciarsi attraversare, da un liquido. È data dal rapporto tra il flusso e il gradiente di pressione applicato per ottenere quel flusso. TMP: La Pressione di Trans Membrana è la forza motrice necessaria per attraversare la membrana. In un processo a flusso tangenziale è data dalla differenza tra la pressione media applicata a monte della membrana (P alimento ) e quella residua misurata a valle della membrana (P permeato ) 14

15 QUALI PARAMETRI INFLUENZANO IL PROCESSO DI FILTRAZIONE 15

16 INTRODUZIONE: Parametri che influenzano il processo di filtrazione Temperatura MLSS (POLARIZZAZIONE DA CONCENTRAZIONE) Sostanze inquinanti disciolte (FOULING) Le sostanze organiche (proteine polisaccaridi etc) possono essere adsorbite dal materiale della membrane (idrofobizzazione locale) (fouling organico) I sali inorganici insolubili possono precipitare sulla membrana intasando i canali di scorrimento del liquido (fouling inorganico) 16

17 IL PROCESSO DI FILTRAZIONE NEGLI MBR: Mantenimento della permeabilità La permeabilità delle membrane è ridotta dai fenomeni di fouling e di polarizzazione per concentrazione. I produttori di membrane hanno messo a punto protocolli standard atti a mitigare gli effetti di questi fenomeni Biomassa Biomassa Miscela aerata Miscela aerata Permeato Scouring Rilassamento Controlavaggio I cicli di pulizia con soluzioni ossidanti e soluzioni acide contrastano gli effetti rispettivamente del fouling organico ed inorganico 17

18 IL PROCESSO DI FILTRAZIONE NEGLI MBR: Mantenimento della permeabilità 18

19 19 Dispositivi di filtrazione

20 INTRODUZIONE: Membrane. Polimeri molto porosi e ad alta compatibilità agli ossidanti agli acidi alle sostanze caustiche Polimeriche Organiche: PVDF, PES, PE idrofilizzati Membrana UF 40,000x Membrana MF 40,000x Polimeriche Inorganiche: Ceramiche Al 2 O 3, ZrO 2, TiO 2 Membrane ITN TAMI 20

21

22 IL PROCESSO DI FILTRAZIONE NEGLI MBR: Dispositivi. Fibre Cave Membrane Piane Tubolari Bassi consumi energetici Elevata densità di impaccamento Controllo perdita permeabilità efficace. Tempo di vita attesi elevati Minore consumo di reagenti Minore TMP Maggiore semplicità impiantistica Bassa densità di impaccamento (elevata occupazione dello spazio) Non controlavabili o controlavabili a basse TMP Portate aria per scouring elevate (elevati consumi energetici) Flussi di permeazione elevati (>40LMH) Possibilità di operare con elevati valori di MLSS Consumi energetici di alcune volte superiori a membrane immerse (cross flow) Membrane Esterne 22

23 23 CONFIGURAZIONI IMPIANTISTICHE

24 IL PROCESSO DI FILTRAZIONE NEGLI MBR: Configurazioni impiantistiche Membrane interne Biologico Ricircolo Fanghi Moduli immersi sia HF che FS Maggiore flessibilità operativa Aria membrane e fanghi UF possono essere considerati nei calcoli di processo Maggiori costi di investimento UF Moduli immersi sia HF che FS Minori costi di investimento Bassa flessibilità operativa Ridotta efficienza pulizia membrane Necessità vasca esterna per eseguire RC Sidestream membrane immerse Biologico Ricircolo Fanghi UF 24

25 25 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE

26 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Quali dati di progetto? Carichi idraulici Estate Durata Inverno Durata Portata media annua giornaliera (ADF) m³/d Portata massima mensile (MMF) m³/d mesi mesi Portata massima settimanale (MWF) m³/d settimane settimane Portata di picco giornaliera (PDF) m³/d giorni giorni Portata di picco oraria (PHF) m³/h ore ore Ridondanza richiesta (un treno di filtrazione fuori servizio) specialmente durante esecuzione di attività di manutenzione ordinaria (pulizia membrane). CONDIZIONI AMBIENTALI Minima Temperatura ambiente: Media Massima Minima Temperatura liquami: Media Massima C C 26

27 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Quali dati di progetto? CARATTERISTICHE RICHIESTE ALLO SCARICO COD mg/l BOD mg/l NH4-N mg/l NO3-N mg/l Ntotale mg/l SST mg/l Ptotale mg/l Torbidità NTU Assumendo che il comparto biologico sia stato dimensionato in conformità alla linee guida del produttore di membrane Caratteristiche miscela aerata MLSS nitrificazione Alcalinità (come CaCO3) Oli & Grassi (FOG) g/l ppm ppm 27

28 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Calcolo della Superficie di filtrazione/flusso sostenibile Temperatura C FLUSSO (netto o istantaneo) l/m 2 MLSS membrane 12 g/l ADF MMF MWF PDF PHF Valori di fantasia. Nella realtà questi dati sono specifici per ogni dispositivo di filtrazione e in genere sono funzione di MLSS membrane La superficie di filtrazione è determinata dalla condizione di flusso più gravosa 28

29 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Calcolo della Superficie di filtrazione Carichi idraulici Fognatura separata Estate Inverno Durata 20 C 12 C Durata Portata media annua giornaliera (ADF) m³/d Portata massima mensile (MMF) m³/d 1 mese mesi Portata massima settimanale (MWF) m³/d Sett. 1 settimana Portata di picco giornaliera (PDF) m³/d giorno giorno Portata di punta oraria (PHF) m³/h ore 75 6 ore Superficie di filtrazione richiesta Fognatura separata Estate 20 C Durata Inverno 12 C Durata Portata media annua giornaliera (ADF) m Portata massima mensile (MMF) m 2 1 mese mesi Portata massima settimanale (MWF) m Sett. settimane Portata di picco giornaliera (PDF) m giorno giorno Portata di punta oraria (PHF) m Ore ore La superficie di filtrazione richiesta per questo impianto è 5000 m 2 29

30 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Configurazione dell unità di filtrazione Su quanti treni di filtrazione suddividere la superficie di filtrazione? L impianto deve essere in grado di trattare la condizione di carico più gravosa 365 gg/anno? SI Con una linea fuori servizio sono richiesti almeno 5000 m 2 di superficie filtrante NO Si deve garantire il trattamento della portata di punta giornaliera (PDF). Con una linea fuori servizio sono richiesti 3520 m 2 di superficie filtrante CONDIZIONE SUPERFICIE RICHIESTA N TRENI OPERATIVI 5000 m 2 N-1 TRENI OPERATIVI 3520 m 2 30

31 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Configurazione dell unità di filtrazione Superficie di filtrazione richiesta Superficie installata Estate 20 C Portata media annua giornaliera (ADF) m Portata massima mensile (MMF) m 2 Portata massima settimanale (MWF) m Portata di picco giornaliera (PDF) m Portata di picco oraria (PHF) m Inverno 12 C 2 treni 1 treno 7040 m m 2 Opzione 1 - Due treni di filtrazione TF 1 TF 2 31

32 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Configurazione dell unità di filtrazione Superficie di filtrazione richiesta Estate 20 C Durata Inverno 12 C Portata media annua giornaliera (ADF) m Portata massima mensile (MMF) m 2 1 mese mesi Portata massima settimanale (MWF) m Sett. settimane Portata di picco giornaliera (PDF) m Giorno 2370 giorni Portata di picco oraria (PHF) m Ore ore Superficie installata Durata N treni N-1 Treni 5280 m m 2 Opzione 2 Tre treni di filtrazione BIOLOGICO 1 BIOLOGICO 2 Alimentazione TF 1 TF 2 TF 3 32

33 IL PROCESSO DI FILTRAZIONE NEGLI MBR: Calco superficie Fognatura mista Portata di pioggia ammessa al biologico = 3 ADF Carichi idraulici fognatura mista Estate Durata Inverno Durata Portata media annua giornaliera (ADF) m³/d Portata massima mensile (MMF) m³/d mesi mesi Portata massima settimanale (MWF) m³/d settim settimane Portata massima giornaliera (PDF) m³/d giorno giorni Portata di punta oraria tempo secco (PHF) m³/h ore 75 6 ore Portata di pioggia m³/h ore ore Superficie di filtrazione richiesta Estate Inverno Durata 20 C 12 C Durata Portata media annua giornaliera (ADF) m Portata massima mensile (MMF) m 2 1 mese mesi Portata massima settimanale (MWF) m Sett settimane Portata massima giornaliera (PDF) m Giorno 3410 giorni Portata di punta oraria tempo secco (PHF) m ore ore Portata di pioggia m Ore ore 33

34 LA PROGETTAZIONE DELL NITÀ DI FILTRAZIONE Superficie filtrazione: fognatura mista Vs f. separata CONFRONTO SUPERFICI RICHIESTE FOGNATURA MISTA E SEPARATA Fognatura Mista Fognatura Separata Estate 20 C Portata media annua giornaliera (ADF) m³/d 5000 Durata Superficie 7500 m 2 Estate 20 C 2400 Durata Portata massima mensile (MMF) m³/d 1 mese mesi Portata massima settimanale (MWF) m³/d settimana settimane Portata massima giornaliera (PDF) m³/d giorno 2700 giorni Portata di punta oraria (PHF) tempo secco m³/h ore ore Portata di Pioggia m³/h ore NA 6 ore Superficie 5280 m 2 SUPERFICIE DI FILTRAZIONE RICHIESTA FOGNATURA SEPARARA 2 TRENI DI FILTRAZIONE Estate 20 C Portata media annua giornaliera (ADF) m³/d 2400 Portata massima mensile (MMF) m³/d Portata massima settimanale (MWF) m³/d 2440 Portata di picco giornaliera (PDF) m³/d 2700 Portata di picco oraria (PHF) m³/h 150 Superficie 7040 m 2 34

35 IL PROCESSO DI FILTRAZIONE NEGLI MBR: Calco superficie Fognatura mista In impianti in cui è recapitata una fognatura mista le portate di pioggia sono quasi sempre il fattore limitante e influiscono pesantemente su calcolo della superficie di filtrazione. E importante poter stimare la durata massima dell evento piovoso. Gli eventi piovosi negli MBR non comportano rischio di dilavamento della miscela aerata e perdita di biomassa 35

36 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Configurazione dell unità di filtrazione: alimentazione forzata Dai pretrattamenti Ricircolo concentrato per gravità Bio 2 Bio 1 MT 2 MT 1 Stramazzo Ripartitore DN + N Canale di distribuzione alimentazio MT2 Alimentazione MT1 36

37 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Configurazione dell unità di filtrazione: alimentazione per caduta Dai pretrattamenti Ricircolo forzato fanghi concentrati Bio 2 Ripartitore Bio 1 DN + N Canale di distribuzione MT 2 MT 1 Stramazzo Stazione di sollevamento 37

38 Scelta e dimensionamento macchine accessorie 38

39 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Importanza di localizzare la fonte di consumo energetico 60% % Energy Cons. In WWTP 50% 40% 30% 20% 10% 0% WWTP tradizionale Metcalf&Eddy MBR con HF - Verrecht et al impianto CAS Impianto MBR

40 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Importanza di localizzare la fonte di consumo energetico MBR con membrane piane Krzeminsky et al MBR con fibre cave Krzeminsky et al Mixers 7% Feed pumps 13% Membrane aeration 20% Membrane aeration Biology aeration Permeate pumps 18% 0.50 kwh/m3 Biology aeration 22% Rest MBR Permeate pumps Feed pumps Mixers Rest MBR 20% MBR con fibre cave evoluzione «premium product» - fonte GE

41 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Importanza di localizzare la fonte di consumo energetico MBR con fibre cave evoluzione «premium product di GE» - Componenti e progettazione di processo Xylem Water Solution 41

42 42 Alimentazione/Ricircolo fanghi

43 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Pompe di Alimentazione/Ricircolo fanghi Controllo della concentrazione della miscela aerata nelle vasche membrane Q a MLSS N MLSS M Q p Q r = Q a -Q p MLSS M = MLSS N * Q a Q a -Q p La configurazione ad alimentazione forzata richiede pompe più capaci. Capacità definita in funzione dei carichi idraulici e dei valori di MLSS N Ottimizzazione del profilo idraulico. Dove ricircolare N o DN? 43

44 44 Estrazione del Permeato

45 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Capacità Pompa estrazione permeato 45

46 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Estrazione del Permeato con pompa a lobi Soffiante membrane Ad altro treno di filtrazione ventilazione PIT Scarico FC FIRC CIP Permeate NaOCl Acido citrico Pompa Reversibile 46

47 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Estrazione del Permeato con pompa centrifuga Soffiante membrane Ad altri treni Ventilazione Scarico PIT FIRC CIP Permeate Pompa Centrifuga permeato FIRC NaOCl Acido Citrico Pompa centrifuga di controlavaggio 47

48 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Estrazione del permeato per gravità (sifone) Soffiante membrane Ad altro treno di filtrazione ventilazione FT PIT Troppo pieno CIP Permeate Pompa Reversibile Valvola modulante NaOCl Acido citrico Scarico 48

49 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Confronto tra possibili soluzioni Semplicità impiantistica Migliore controllo delle portate Rapidità inversione Volumetrica Costi inferiori Maggiori rendimenti Riduzione consumi energia Costi di installazione Ottimale per impianti HF Complessità impiantistica Non reversibile Non volumetrica Tempi di inversione OK per impianti FS Possibile con impianti HF Complessità impiantistica Necessità pompa per caricare serbatoio di CIP Richiesta battente minimo (TMP max. permeazione) OK per FS OK per HF 49

50 50 Aria Membrane

51 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Air Scouring L energia necessaria per lo scouring delle membrane è l aspetto che incide maggiormente sui costi di filtrazione di un impianto MBR. Richiesta d aria per lo scouring delle membrane dai primordi ad oggi si è ridotta di circa 6 volte, Aerazione continua Aerazione ciclica sequenziale Mempulse Ottimizzazione punto di erogazione aria Semplificazione circuito adduzione aria miglioramento efficacia scouring (bolle grosse) LEAPmbr Richiesta energetica 51

52 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Air scouring La portata d aria necessaria per lo airscouring di uno specifico impianto è un dato solitamente fornito dal produttore di membrane Portata aria specifica Canali di per scorrimento airscouring è funzione del flusso solido Punto di erogazione Scelta del numero di soffianti in grado di fornire le portate d aria richieste in Modalità di erogazione funzione della diversa operatività dell impianto. È fortemente consigliato prevedere soffiante di riserva. 52

53 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Tipologia Soffiante Possono essere utilizzate in impianti di dimensioni ridotte Consigliate. Maggiore controllo delle portate erogate anche al variare della viscosità della miscela aerata 53

54 54 Controllo di processo

55 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Controllo Processo di filtrazione: Alimentazione Forzata PT FC FT LT FC FT FC Risparmio energetico Numero e capacità pompe di alimentazione Funzione del dispositivo di filtrazione selezionato e del numero di soffiati. 55

56 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Controllo Processo di filtrazione: Estrazione con sifone PT FC LT FT FT H > TMP max. 56

57 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Dotazioni strumentali, accessori, accessori opzionali Stazioni di dosaggio reagenti per pulizia membrane Compressore aria di servizio Valvole pneumatiche Trasduttori di pressione Misuratori di portata Misuratori di livello Sonde di temperatura Sonde Solidi Sospesi Copertura vasche membrane Grigliatura fanghi Fondamentale la qualità soprattutto per dispositivi di filtrazione che usano protocolli di aerazione ciclica discontinua Automazione e controllo di processo (i.e. permeabilità vs tempo) Controllo inerti in miscela aerata riduzione rischio clogging Carroponti per sollevamento membrane 57

58 58 Membrane

59 LA PROGETTAZIONE DELL UNITÀ DI FILTRAZIONE Membrane: quali garanzie? 59 Il peso del cambio delle membrane nel costo operativo di un impianto MBR sta diminuendo vista la maggiore affidabilità dei prodotti di nuova generazione Tuttavia è importante garantirlo. Tipologie garanzie Meccanica: Salvaguardia da eventuali difetti di fabbricazione Prestazioni: Garantisce il rispetto di alcuni parametri: TSS Portata E.Coli Durata Riduzione % delle prestazione alla scadenza Modalità pagamento garanzie Pro rata (Pro quota): Dopo un periodo iniziale in cui le membrane difettose o non prestanti sono fornite gratuitamente, la sostituzione avviene a fronte di un pagamento proporzionale all uso effettivo. Copertura totale: La membrana giudicata non conforme viene fornita gratuitamente % sostituzione annua È definita una soglia % per anno al di sotto della quale le membrane non conformi devono comunque essere acquistate. La garanzia ha effetto solo al superamento di questa soglia.

60 Xylem Water Solutions Italia S.r.l. Distributore Membrane UF - GE per il mercato municipale in Italia GC Treatment Xylem Italy marco.leoncavallo@xyleminc.com clara.rondinini@xyleminc.com GC Membrane Global matteo.vanossi@xyleminc.com michele.principato@xyleminc.com alessio.galletti@xyleminc.com alessandro.lago@xyleminc.com