Il riutilizzo delle acque: nuove tecnologie per la depurazione

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1 Il riutilizzo delle acque: nuove tecnologie per la depurazione GUSTAVO CAPANNELLI Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale Università degli Studi di Genova Ringrazio tutti i colleghi e collaboratori che hanno contribuito allo sviluppo delle attività riportate ed in particolare Aldo Bottino e Antonio Comite

2 L acqua, pur essendo una risorsa rinnovabile, oggi è una risorsa limitata. Il bilancio idrico è negativo - il consumo è più veloce della fase di recupero (piogge) - la quantità di acqua inquinata tende a prevalere su quella primaria Ciclo attuale di utilizzo dell acqua Depurazione Depurazione o Potabilizzazione Usi irrigui Ambiente Usi industriali Usi civili Usi industriali Depurazione

3 Per soddisfare le esigenze Il riciclo delle acque è l unica soluzione percorribile. Le tecnologie attuali permettono un recupero pressochè totale. Il riutilizzo può essere completo; la legislazione italiana prevede il riuso solo in ambito agricolo ed industriale. Le attuali tecnologie di depurazione sono capaci di riportare le acque reflue nelle specifiche desiderate Usi irrigui & Industriali Ambiente Usi industriali Depurazione Depurazione o Potabilizzazione Usi civili

4 I processi a membrana: permettono di ottenere acque di elevata qualità ed il loro integrale riutilizzo. per le loro caratteristiche e i livelli tecnologici raggiunti sono divenuti la chiave per uno sviluppo sostenibile. LE MEMBRANE Sono una barriera assoluta verso sostanze indesiderate Attuano separazioni a livello molecolare Consentono di depurare e riciclare acque inquinate Permettono di ottenere acqua da destinare al consumo umano partendo da qualsiasi tipo di acqua grezza Permettono di ottenere l acqua con la qualità desiderata

5 Membrana Una membrana può essere definita come una barriera fisica che consente il passaggio di una o più specie e impedisce o rallenta quello di altre. Membrana

6 RO Acqua: risorsa strategica per l agricoltura Principali processi a membrana applicati al trattamento delle acque NF UF MF soluzioni Macromolecole Globuli lipidici Ioni, zuccheri Proteine Sospensioni nm Microfiltrazione (MF) Separazione di colloidi, microorganismi, solidi sospesi Richiede pressioni molto basse (<2 bar) Ultrafiltrazione (UF) Separazione di macromolecole con diversa massa molecolare Richiede basse pressioni (<10 bar) Nanofiltrazione (NF) Separazione di zuccheri, sali e purificazione di soluzioni Richiede pressioni inferiori alla OI (<20 bar) Osmosi Inversa (RO) Concentrazione di sali Richiede elevate pressioni (fino a 100 bar) La forza motrice di questi processi di separazione è sempre una differenza di pressione

7 Meccanismo di separazione Membrana porose agiscono come un setaccio consentendo solo il passaggio delle particelle con dimensione inferiore a quella dei pori Sono applicate ad esempio nella MF, UF, D. Membrane dense (non porose) separano le specie in base alla loro differente solubilità e diffusione attraverso lo strato denso della membrana. Sono applicate ad esempio nella O.I e NF.

8 Scelta del materiale e delle configurazioni ottimali Tubolare Area filtrante/volume (m 2 /m 3 ) Spirale Avvolta Controllo del Fouling Elevate superfici filtranti in piccoli volumi Migliori condizioni fluidodinamiche Minori consumi energetici Fibra cava 30 µm Area filtrante/volume (m 2 /m 3 ) Piana Area filtrante/volume (m 2 /m 3 ) Area filtrante/volume (m 2 /m 3 )

9 Trattamento delle acque Applicazioni principali Processi biochimici Industria alimentare Industria chimica, farmaceutica Osmosi inversa - Nanofiltrazione Demineralizzazione Trattamenti di effluenti industriali (tessile, fermentazioni, farmaceutica, etc.) Industria farmaceutica Settore enologico Sieri industria casearia Altri settori dell industria agro-alimentare Trattamento di soluzioni zuccherine Concentrazione di soluzioni organiche Addolcimento di acqua da pozzo, di superficie e di mare Rimozione selettiva di metalli da acqua da pozzo e di superficie Rimozione sostanze organiche solubili Rimozione di specie radioattive da acqua di pozzo e di superficie Percolati di discariche Microfiltrazione/Ultrafiltrazione Brodi di fermentazione Chiarificazione dei liquidi alimentari Industria elettronica Settore enologico Industria farmaceutica Industria agroalimentare Industria meccanica Industria chimica Trattamenti di chiarificazione Bioreattori a membrana

10 Processi a membrana: vantaggi Separazione elevata capacità di separare in maniera efficiente senza modificare o perdere i composti termolabili non si modifica la natura chimica delle sostanze presenti nel prodotto da trattare non si introducono nuove sostanze Energia non si richiede calore nel processo di separazione Flessibilità i processi continui a membrana permettono di operare con un ampio intervallo di composizioni (soluzioni diluite, concentrate ecc.) e diverse dimensioni di scala

11 Uso dei processi integrati a membrana nel trattamento delle acque Schema generale: pretrattamento (filtrazione con filtri o con membrana, controllo ph, ecc.) processo a membrana per le separazioni desiderate stabilizzazione dell acqua sino alla fase di utilizzo finale trattamento del concentrato Acqua grezza Pretrattamento filtrazione controllo temperatura controllo ph aggiunta di additivi MF/UF Processo a membrana MF,UF, NF,OI MF/UF + NF/OI NF +OI Trattamento riciclo, evaporazione chimico-fisico Finitura stabilizzazione igienica lungo la linea Scarico Acqua all utenza

12 Applicazioni particolari in zone con scarsità d acqua Recupero di acqua da scarichi civili: Per uso civile (acque di servizio, irrigazione, ecc.) Per il consumo umano (dopo diluizione o direttamente) Acqua reflua Trattamento a fanghi attivi Chiarificazione o MF/UF N F / O I Trattamento (Chimico fisico) Scarico Acqua all utenza o alla miscelazione Stabilizzazione igienica

13 Processi a membrana in alternativa ai processi tradizionali di potabilizzazione e trattamento delle acque di scarico Trattamento acque potabili Trattamento acque reflue Acqua Grezza Acque reflue Coagulazione e Flottazione Chiarificazione Microfiltrazione Grigliatura Sedimentazione primaria Filtrazione Trattamento biologico Clorazione Minor consumo di cloro Sedimentazione secondaria Bioreattore a membrana Acqua potabile Trattamenti terziari Scarico o riutilizzo

14 Schema di impianto di UF per il riciclo di acqua da un impianto a fanghi attivi tradizionale Aggregato Urbano m³/g Biologico Scarico Ultrafiltrazione SF CF Industria m³/g irrigazione Concentrato Precipit. Permeato m³/g Acqua da riciclare **SF: Filtro sabbia; CF: Filtro a cartuccia 70 µm

15 Impianto di potabilizzazione con MF a due stadi Microfiltrazione primaria Pretrattamento Microfiltrazione Secondaria Serbatoio 59 Ml/g Chiarificato PACl Scarico Ennerdale (UK) dal workshop Le membrane nella potabilizzazione delle acque destinate al consumo umano, Genova, 27 giugno 2003, AMGA

16 Acqua dal fiume Elba Germania Scopo del processo: produrre m³/g di acqua depurata (Elbe). Processo: Combinazione (UF) e (RO) dal workshop Le membrane nella potabilizzazione delle acque destinate al consumo umano, Genova, 27 giugno 2003, AMGA Economia: Ammortamento costi impianti di UF-RO in 2.6 anni Costo totale 0.70 /m³

17 Sviluppo di moduli ad alto rapporto Sup/Volume a costi sempre decrescenti Zenon Memcor-USFilter Riduzione dei costi in funzione del tempo KMS costo $ per 100 mc/g Vendita cumulativa delle membrane in m 2

18 Permeato Aria Può trattare 1000 m 3 /giorno Modalità di lavoro per controllare la stabilità del flusso nel tempo (Fouling) Filtrazione... e Controlavaggio Concentrato Scarico Rimozione Formazione deposito dello strato depositato Filtrazione con TMP ~ 0.4 bar Alimenti Controlavaggio con il permeato a < 2 bar Permeabiltà [l/(m 2 h bar)] Limite TMP flusso minimo backwashing Recupero flusso Con backwashing caratteristiche acqua iniziale dipende TMP procedure di backwashing con backflushing fouling reversibile Intervallo Linea del flusso accettabile di filtrazione Lavaggio chimico con frequenze da 3 a 6 mesi TEMPO a Diminuzione del flusso senza backwashing lavaggio chimico

19 Mercato mondiale delle membrane Vendite (MLD ) previsione * - Desalinizzazione - Acqua ultrapura RO 50% - Pretrattamenti RO - Potabilizzazione - Industria alimentare UF 25% MF 25% Anno Dati rielaborati da T. Leiknes, Desalination 199 (2006) 12 Filtration Industry Analyst, March 2006, p. 4 - Potabilizzazione - Trattamento acque

20 ESEMPIO 1: riciclo delle acque reflue da una lavanderia industriale Processo tradizionale Processo Innovativo Processo studiato e sviluppato presso il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell

21 ESEMPIO 2: trattamento e riciclo delle acque di vegetazione Acque di vegetazione Microfiltrazione Recupero concentrato da valorizzare Osmosi inversa Acque per l irrigazione Riuso nel lavaggio delle olive Processo in fase di applicazione per conto del Consorzio Ligure dei Prodotti Tipici Fiori e Frutta di Imperia attività di ricerca svolta dal Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale nell ambito del contratto di programma Fiorifrutti.

22 Processi innovativi nel trattamento delle acque reflue MBR = Membrane Biological Reactor Un MBR combina un processo di tipo biologico con un processo di separazione a membrana (generalmente di MF o UF) In pratica la membrana sostituisce la sedimentazione secondaria ed ottimizza il processo di depurazione biologica. Acqua reflua Permeato Acqua reflua Riciclo ritentato Permeato Aria Scarico fanghi Bioreattore a membrane immerse Aria Bioreattore a membrana a circolazione esterna Scarico fanghi

23 Depurazione di reflui domestici mediante MBR TRADIZIONALE Acque reflue Pretrattamento Digestore fanghi Sedimentatore primario Fanghi attivi Sedimentatore secondario Filtro a sabbia Disinfezione Effluente finale Scarico Acqua reflua Essiccamento fanghi / smaltimento Pretrattamento Sedimentatore primario Filtrazione a membrana Scarico (aree sensibili) Nanofiltrazione MBR Fanghi attivi Fanghi attivi Effluente finale Osmosi inversa Essiccamento fanghi / smaltimento Uso Agricolo Uso industriale

24 IL successo dei processi a membrana è basato sul controllo del fouling (es. MBR) La frazione colloidale e sospesa è responsabile del fouling. La sua concentrazione e composizione dipende dai parametri biologici e dal cut-off della membrana. Stretta correlazione tra i parametri operativi e il fouling della membrana -Scelta della membrana (materiale e geometria) più adatta -Determinazione del flusso critico -Scelta delle appropriate condizioni operative -Ottimizzazione della flusso e dei lavaggi

25 Condizioni operative degli impianti di trattamento MBR MBR Condizioni operative tipiche di MBR a membrana immersa Parametro Valore Flusso - Istantaneo, L/(m 2 h) Sostenibile sul lungo termine, L/(m 2 h) Pressione transmembrana, kpa 20 Concentrazione di biomassa, g MLSS /L 5-25 Tempo di ritenzione solidi (STR), giorni >20 Produzione fanghi, kg SS /(kg COD giorno) <0.25 Tempo di ritenzione idraulico (HTR), ore 1-9 Rapporto alimento/microrganismi, kg COD /(kg MLSS giorno) <0.2 Carico volumetrico, (kg COD /m 3 giorno) Fino a 20 Portata di aria, Nm 3 /h per modulo 8-12 Temperatura, C ph Frequenza del controlavaggio, min 5-16 Durata del controlavaggio, s Consumo di energia per la filtrazione, kwh/m Per aerazione della membrana, % Per il pompaggio del permeato, % La concentrazione di biomassa consigliata è g/l T. Melin, Desalination 187 (2006) 271 Gli impianti di trattamento convenzionali a fanghi attivi hanno i seguenti svantaggi: Grossi ingombri Bassa efficienza depurativa Gli scarichi sono di bassa qualità (SS, carica batterica, elevate concentrazioni dei nutrienti,ecc.) e quindi non utilizzabili se non a costi elevati Bassa flessibilità Elevata produzione di fanghi

26 Bioreattori a membrana VANTAGGI Alta efficienza (rimozione BOD e TOC tra il 96-98%) elevata nitrificazione e completa denitrificazione con lo stadio di denitro. Assenza di SS, assenza o bassissima presenza della carica batterica nel permeato Utilizzo diretto del chiarificato comunque facilmente riqualificabile, a bassi costi, per ogni tipo di utilizzo Alta flessibilità rispetto il carico, completa automazione e controllo dell impianto Riduzione dimensioni e costi di installazione (senza lo stadio di sedimentazione) Costi contenuti se si confrontano non solo i mc/h trattati ma si valuti anche il raggiungimento della stessa acqua finali. SVANTAGGI Tecnologie poco note e diffuse (elevata diffidenza iniziale, spesso si osserva ancora dell improvvisazioni) Necessità di disporre e/o collaborare di tecnici con elevate competenze e conoscenze non solo di tipo ingegneristico ma delle membrane e dei processi a membrana (su tale argomento l ha istituito un apposito master universitario di II secondo livello)

27 MBR - Impianti costruiti in Europa Zenon environmental Kubota Ionics/Mitsubishi Rayon USFilter Aqua-Aerobics/Pall Norit X-flow Zona Dimensione Fornitore Anno di avvio (m 3 /g) membrane Rödingen, DE Zenon 1999 Ile de Yeu, FR Zenon 2000 Markrantstädt, DE Zenon 2000 Swanage, UK Kubota 2000 Campbeltown, UK Zenon 2001 Westbury, UK Kubota 2002 Lowestoft, UK Zenon 2002 Brescia, IT Zenon 2002 Monheim, DE Zenon 2003 Schilde, BE Zenon 2003 Kaarst, DE Zenon 2003 Waldmössingen, De Zenon 2004 Guilvinec, FR Kubota 2004 La Bisbal, SP Zenon 2004 Riells I Viabrea, SP Kubota 2004 Uerikon, CH Zenon 2004 Cardigan, UK Kubota 2004 Buxton, UK Zenon 2004 Varsseveld, NL Zenon 2004 T. Melin, Desalination 187 (2006) 271

28 MBR - mercato Si prevede che nei prossimi 5 anni verranno realizzati circa 1000 nuovi MBR Mercato (MLD USD) Mondo Europa Anno B. Lesjean et al., Filtration and Separation, November 2006 Tasso di crescita medio annuale Bioreattori a membrana 10.9% Trattamenti a membrana 8-9% Altri trattamenti avanzati 5.5%

29 La produzione di nuove membrane L aumentato sviluppo nell ottimizzazione dei processi Maggiore affidabilità di esercizio Riduzione dei costi per m 3 di acqua prodotta Conclusioni Se si considerano alcuni dei seguenti aspetti Crescente bisogno di acqua Necessità di migliorare la qualità dell acqua prodotta Aumento dei costi di approvvigionamento Minore disponibilità da fonti tradizionali Considerato che l attuale mercato globale dell acqua ammonta 224 MLD di e che si prevede una crescita media del %. Si comprende l incremento previsto per l inserimento dei processi a membrana nella purificazione, riciclo e produzione di acque destinate al consumo umano Si stima che tra il la crescita complessiva della produzione di acqua ottenuta dal trattamento e recupero delle acque reflue sia del 43%.

30 NUOVA ACQUA PER l AGRICOLTURA I processi a membrana da soli o accoppiati con i bioreattori a membrana mettono a disposizione della nuova acqua ottenuta da fonti non convenzionali da destinare anche in ambito agricolo: Le fonti di partenza non convenzionali: Acque reflue di tipo urbano Acque primarie ma con parametri non in specifica (nitrati, arseniati, pesticidi, fluoruri, borati, ecc.) Acque fortemente aggressive (acque dure, salmastre, ecc.)