La progettazione e la gestione degli impianti MBR

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1 La progettazione e la gestione degli impianti MBR L impiego delle membrane nella depurazione delle acque reflue rappresenta una tecnologia ormai affermata a livello mondiale. 250 esperti di settore si sono confrontati con i tecnici Xylem in un intensa giornata di lavoro Massimiliano Cassinelli, Giornalista Aumentare la capacità di trattamento e la qualità delle acque scaricate, pur utilizzando impianti di depurazione di dimensioni e le aziende di settore. Un compito dettato da regolamenti caratterizzati da limiti allo scarico sempre più rigorosi e dalla mancanza degli spazi necessari ad ampliare o realizzare nuovi impianti. Alla luce di questa situazione, il settore è particolarmente attento alla possibilità di sfruttare le tecnologie più innovative e Un attenzione che ha portato oltre 250 professionisti al convegno La progettazione e la gestione degli impianti MBR organizzato da Xylem Water Solutions, in collaborazione con Fast e l Ordine degli Ingegneri di Savona. Proprio Xylem, un azienda specializzata nelle tecnologie per la gestione del ciclo delle acque, da anni vede nei bioreattori a membrana (MBR: Membrane BioReactor) una soluzione vincente in molti impianti di trattamento. Si tratta di una tecnologia ad alto in numerosi impianti, anche di grandi dimensioni. Non un semplice filtro Da un punto di vista puramente teorico, i sistemi MBR sono relativamente semplici. Le membrane, infatti, non fanno altro liquidi, sostituendosi ai sedimentatori secondari presenti negli impianti a fanghi attivi convenzionali. In questo modo è possibile operare i processi di degradazione biologica mantenendo la concentrazione dei fanghi attivi a valori molto più elevati (tipicamente 8-10 g/l) rispetto ai valori sostenibili nei depuratori a fanghi attivi convenzionali (3-5 g/l). A parità di spazi e volumi occupati, questo permette di aumentare le capacità depurative degli impianti e, contestualmente, di inviare allo scarico acque prive di solidi sospesi e caratterizzate da un basso contenuto di inquinanti disciolti e di carica batterica. Un risultato che, con una molto maggiore, per la necessità di costruire un impianto a fanghi da Xylem, realizzate con un particolare polimero proprietario in grado di trattenere tutte le impurità di dimensioni superiori a 0,035 micrometri. Una simile capacità permette di operare un autentica disciolti, subisce anche un processo di rimozione della carica batterica. Si tratta, quindi, di una soluzione particolarmente apprezzata, perché contribuisce alla riduzione, e in alcuni casi all eliminazione, del consumo delle sostanze chimiche (ipoclorito, ClO 2 questo modo, oltre al risparmio economico, vengono eliminati anche i sottoprodotti di ossidazione nelle acque scaricate. Figura 1 - Sono stati 250 i professionisti che hanno preso parte al convegno di Xylem sulle tecnologie MBR. 24 a valle di una blanda disinfezione con lampade UV) in agricoltura. L insieme di queste caratteristiche ha permesso l affermazione

2 l Ambiente della tecnologia MBR, con una crescita annua superiore al 10%, favorita anche dall impiego in ambito industriale. Il segreto della membrana Per ottenere simili risultati, i laboratori di ricerca hanno brevettato soluzioni General Electric, in particolare, sono frutto di moduli, basati su un polimero proprietario, trattati per conferire alla resistente al cloro. Questa struttura si deposita poi su un tubolare alla trazione e al taglio. Tutto questo garantisce un elevata entrambe le estremità. nuovo depuratore lungo la fascia costiera. La soluzione, individuata all interno di un ex cava nell entroterra, rispose egregiamente alle esigenze iniziali. Ma nell arco di pochi anni, con l emanazione di criteri di salvaguardia ambientale sempre più rigorosi e la richiesta di collegare anche altri comuni, emerse la necessità di ampliare l impianto. In mancanza di aree nelle soluzioni MBR. Una soluzione che permise di aumentare dall impianto. La scelta dei tecnici si orientò così sulle membrane General Electric ZeeWeed 500d, ora distribuite da Xylem Water Solutions, che garantiscono la qualità delle acque trattate anche nei periodi estivi. Quando i turisti si trasferiscono in Liguria, infatti, la situazione è particolarmente critica e ogni giorno è necessario depurare 13 mila metri cubi di liquami. supporti e si strozzi ripiegandosi su se stessa. Ma l aspetto più air scouring nel mantenere la permeabilità della membrana senza incidere sul tempo di vita atteso delle membrane stesse. Triplicata la capacità Un esempio tangibile della qualità della depurazione attraverso le membrane MBR arriva dal depuratore di Borghetto Santo Spirito, nei pressi di Loano. Il direttore generale di Servizi Ambientali SpA, Giovanni Paganelli, Un esigenza dettata anche dal fatto che le acque depurate sarebbero state scaricate in mare, in una zona a forte vocazione turistica. trattamento dell impianto è così passata dagli originali 50mila abitanti equivalenti agli attuali 140mila. Lo stesso Paganelli, a sei anni dall entrata in funzione del nuovo sistema, ha spiegato come, attraverso opportuni accorgimenti suggeriti anche dai del sistema di depurazione. La lunga vita del fango I dettagli della tecnologia MBR sono stati illustrati da Pietro Negro, uno dei più apprezzati progettisti di impianti di depurazione in Italia. Nel corso del suo intervento ha spiegato che i processi su membrana per ampliarne il normale campo operativo. Le membrane, infatti, consentono la conduzione del processo di degradazione biologica operando con sospensioni di fanghi attivi caratterizzate da concentrazioni particolarmente elevate. A differenza del tradizionale processo di sedimentazione, in questo caso la concentrazione di fanghi attivi è limitata soprattutto da considerazioni di carattere energetico, dovute alla diminuzione della solubilità dell ossigeno all aumentare della concentrazione dei solidi sospesi nei fanghi attivi. Per tale sul mercato tollera concentrazioni di fanghi attivi comprese tra 12 e 15 g/l, valori ampiamente superiori a quelli sostenibili nei bioreattori, garantendo un adeguata solubilità dell ossigeno e quindi l economicità del sistema. Operare con un impianto in grado di raggiungere concentrazioni sino a quattro volte maggiori rispetto ad una soluzione tradizionale consente una maggiore età del fango (SRT - Solid Retention Time), pur a fronte dello stesso tempo di residenza idraulico (HRT Hydraulic Retention Time) o, in alternativa, di ridurre l HRT pur mantenendo immutato lo SRT. Figura 2 - Giovanni Paganelli, direttore generale di Servizi Ambientali SpA, è stato tra i primi in Italia a credere nelle tecnologie MBR. temperature più basse, così come è possibile ridurre la produzione dei fanghi di supero, oltre a completare l ossidazione del carico organico, arrivando a degradare persino alcune delle molecole biorefrattarie. 25

3 Membrane sempre pulite rappresentato, inizialmente, i principali ostacoli all affermazione della tecnologia MBR. Le membrane subiscono infatti il fenomeno del Fouling, in pratica uno sporcamento dovuto all adsorbimento di sostanze organiche, alla deposizione di sali inorganici e all intrappolamento A questo si aggiunge l intrappolamento di materiale inerte tra i canali di scorrimento (Clogging), che aumenta la resistenza Figura 3 - I reflui in uscita dai sistemi MBR di Borghetto possono essere scaricati a mare senza ulteriori trattamenti. scorrimento (Sludging). Angelo Schiavone di Desa, tra i primi in Italia a progettare impianti MBR, ha però illustrato come un decennio di esperienza pratica abbia fugato questi rischi. Una corretta progettazione delle fasi di pretrattamento, del bioreattore a membrane e della sezione Malgrado l insieme di questi vantaggi, l aumento di concentrazione della miscela aerata e la maggiore età dei fanghi, implicano necessariamente una crescita dei consumi energetici. Il progettista è quindi chiamato a trovare il corretto equilibrio, prestando particolare attenzione al fatto che la riduzione dei volumi comporta anche una riduzione dell età dei fanghi attivi. Occorre infatti ricordare che scendere sotto i 12 giorni a 20 C aumenta la concentrazione di EPS nella miscela aerata. Esiste quindi, potenzialmente, il rischio di formazione di schiume e aumenta la velocità di sporcamento delle membrane (fouling organico), con la necessità di maggiori interventi di manutenzione. procedure di pulizia delle membrane) rendono questa tecnologia Costi ridotti L aspetto economico, nella realizzazione di un nuovo impianto, deve essere valutato con estrema attenzione. In alcune iniziale superiore rispetto alle soluzioni tradizionali. Matteo Vanossi, Business Development Manager EMEA - Membrane di Xylem, ha però invitato a valutare i costi dell intero ciclo di vita di un impianto. Uno studio di GHD del 2012, infatti, ha dimostrato Tabella 1 Il grafico mostra come nei casi in cui è richiesta una rimozione spinta degli inquinanti azotati, del fosforo e della componente batterica, gli impianti MBR sono più convenienti degli impianti CAS. 26

4 l Ambiente Figura 4 - I bioreattori a membrana vengono utilizzati anche negli impianti di grandi dimensioni. come, nei casi in cui è richiesta una rimozione spinta degli inquinanti azotati, del fosforo e della componente batterica, gli impianti MBR sono più convenienti degli impianti CAS, sia dal punto di vista dei costi di investimento che dei costi di conduzione proiettati su 20 anni. Figura 5 - I dispositivi di filtrazione a fibra cava garantiscono un elevata compattezza, in quanto offrono un elevata superficie filtrante occupando poco spazio. liquame da trattare. A questo si aggiunge il fatto che i forellini dei diffusori da cui escono le microbolle possono sporcarsi e In termini di investimento, infatti, una minore occupazione del suolo e una riduzione delle opere civili consentono di abbattere i costi. Ma i vantaggi sono evidenti soprattutto nella riduzione dei consumi elettrici. Nell ultimo decennio, in particolare, il consumo 3 sino a valori inferiori agli 0,4 kwh/m 3. Un valore che può scendere addirittura sotto gli 0,3 kwh/m 3 cava con tecnologia di aerazione di ultima generazione, come la LEAP di GE. Le bolle d aria sono importanti Proprio l importanza di un corretto dimensionamento dell impianto di aerazione è stato alla base dell intervento di Marco Leoncavallo, Treatment Market Manager di Xylem. In un impianto di depurazione, infatti, il 50% dell elettricità viene assorbita dal siste a di aerazione. Per questa ragione è fondamentale ottimizzarne il funzionamento da un punto di vista energetico, oltre che funzionale. Viste le maggiori concentrazioni in vasca, nei sistemi MBR è ancora più importante che il sistema di aerazione sia in grado di pulire le membrane dai depositi prevenire la sedimentazione sul fondo della vasca. l ossigeno erogato e l energia necessaria per immetterlo nella maturate a livello mondiale sono una chiara dimostrazione sono dotati i sistemi più moderni tendono ad autopulirsi. Una peculiarità che supera i limiti delle tradizionali membrane rigide, per le quali sono necessarie procedure particolari e lavaggi frequenti. Com è fatta una membrana Benché i sistemi di ossigenazione siano un elemento fondamenovviamente rappresentato dalle membrane stesse. Per questa tale per il corretto funzionamento, il cuore dell impianto MBR è ragione Vanossi, responsabile impianti MBR Xylem, ha illustrato le caratteristiche delle differenti membrane in commercio. Una differenziazione che deve prendere in considerazione, in primo luogo, la geometria della membrana. Esistono infatti dispositivi con membrane tubolari ed esterno-interno per i moduli sommersi strato di polarizzazione per concentrazione che il processo di permeabilità. membrana, in particolare, sono i più utilizzati e vengono scelti, in modo sistematico, negli impianti MBR. La stima dell ossigeno effettivamente necessario ad una corretta depurazione non è però semplice, in quanto il suo valore è 27

5 ottenendo un importante riduzione dei consumi energetici associati a questo processo. mostrato di avere una minore richiesta d aria per lo scouring (processo che mitiga la perdita di permeabilità delle membrane contrastando la formazione dello strato di polarizzazione grazie a quella richiesta dai dispositivi a membrane piane. Negli ultimi anni, grazie all introduzione delle procedure ad aerazione ciclica intermittente e all introduzione di dispositivi capaci di formare bolle di dimensioni molto grandi, questa differenza si è ampliata, vincente. I vantaggi della fibra cava cava rispetto a quelli a membrane piane è la loro compattezza. piane. 2 2 Nella valutazione dei costi di investimento e di conduzione bisogna inoltre tener presente che gli impianti MBR sono generalmente caratterizzati da un elevato grado di automazione. Questo comporta che - se vengono asserviti da adeguati sistemi di gestione, monitoraggio e telecontrollo - non necessitano di un presidio costante, permettendo un notevole risparmio sul costo del lavoro. membrane da installare nel proprio impianto MBR, è la tipologia di garanzia offerta dai costruttori. Sebbene, rispetto al passato, oggi le membrane siano caratterizzate da tempi di vita utile decisamente lunghi (anche anni), vista l incidenza del loro prezzo sull investimento, la scelta deve orientarsi verso dispositivi con un adeguata garanzia di vita attesa. Per tale ragione occorre (di lavorazione) delle membrane che le loro prestazioni (portate di progetto, rimozione dei solidi sospesi, riduzione della carica batterica). Inoltre, considerando i costi connessi a un eventuale sostituzione, è opportuno che la garanzia comprenda anche la sostituzione gratuita delle membrane danneggiate e di quelle che non sono più in grado di fornire le prestazioni dichiarate. tipologie di membrane. É quindi necessario ricordare che la porosità di un materiale rapporto tra il volume dei vuoti (pori -Vp) e il volume totale (Vm) μm, della caratterizzata da elevata porosità è tipicamente più permeabile e, quindi, richiede meno energia per essere attraversata rispetto Occorre però sottolineare che la misurazione del grado di Figura 6 - Per il corretto funzionamento delle membrane è necessario un efficace impianto di ossigenazione. condiviso e ogni produttore fa riferimento a standard differenti. ritenzione delle diverse membrane per semplice confronto del Membrane pulite In ogni caso, in un ottica di corretto funzionamento dell impianto, è fondamentale valutare periodicamente la permeabilità della rapida variazione della permeabilità stessa è, infatti, indice di problematiche in essere. A fronte di un degrado delle prestazioni è necessario effettuare cicli di lavaggio chimico che, in funzione della tipologia delle membrane installate, possono essere eseguiti con diverse cadenze temporali. 28 Figura 7 - L automazione del processo depurativo permette di ridurre i costi di personale.