I reattori biologici a membrana per il trattamento delle acque reflue

Transcript

1 Quaderni del Dipartimento SAN 1 Gianni Andreottola, Martina Ferrai, Giuseppe Guglielmi, Giuliano Ziglio I reattori biologici a membrana per il trattamento delle acque reflue Principi ed applicazioni Università degli Studi di Trento Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Laboratorio di Ingegneria Sanitaria Ambientale

2 INDICE SIMBOLOGIA...6 PRESENTAZIONE INTRODUZIONE PRINCIPI TEORICI DEI PROCESSI A MEMBRANA INTRODUZIONE CLASSIFICAZIONE DELLE MEMBRANE MATERIALI COSTITUTIVI DELLE MEMBRANE GEOMETRIA DEI MODULI A MEMBRANA Moduli con avvolgimento a spirale Moduli tubolari Moduli piani con supporto Moduli a fibre cave TIPOLOGIE DI PROCESSI A MEMBRANA Microfiltrazione Ultrafiltrazione Nanofiltrazione Osmosi inversa Elettrodialisi FATTORI CHE INFLUENZANO LE PRESTAZIONI DELLE MEMBRANE Polarizzazione da concentrazione Fouling MODELLAZIONI MATEMATICHE PER LA PREVISIONE DEL FLUSSO REATTORI BIOLOGICI A MEMBRANA...51

3 3.1. PREMESSA SCHEMI DI PROCESSO ZENON KUBOTA US FILTER MEMCOR MITSUBISHI RAYON X-FLOW MILLENNIUMPORE HUBER METE PROGETTAZIONE DEL COMPARTO BIOLOGICO PREMESSA FRAZIONAMENTO DEL COD INFLUENTE FRAZIONAMENTO DELL AZOTO INFLUENTE CRESCITA BATTERICA E RIMOZIONE DEI SUBSTRATI Influenza delle caratteristiche del liquame refluo Influenza della temperatura Influenza del ph Influenza della concentrazione di ossigeno disciolto CRITERIO DI DIMENSIONAMENTO Calcolo dell età del fango Calcolo della frazione non aerata Calcolo del volume biologico Calcolo della produzione giornaliera del fango di supero Calcolo della concentrazione effluente di COD Calcolo della concentrazione effluente di TKN Calcolo della capacità di nitrificazione del sistema Calcolo del potenziale di denitrificazione Scelta del rapporto di ricircolo di fango dal sedimentatore biologico Calcolo della capacità di denitrificazione del sistema Calcolo del valore ottimale di ricircolo della miscela aerata Calcolo della concentrazione di azoto nitrico nell effluente Calcolo del fabbisogno di ossigeno Ottimizzazione dei parametri f ax e a PARAMETRI CINETICI E DI FRAZIONAMENTO IL FOULING NEI SISTEMI MBR PREMESSA FATTORI CHE INFLUENZANO IL FENOMENO Caratteristiche della matrice filtrata Geometria del modulo MECCANISMI DI SPORCAMENTO STRATEGIE DI CONTROLLO Dispositivi di pre-trattamento Ottimizzazione delle condizioni idrodinamiche Ottimizzazione del regime di suzione...105

4 Pulizia chimica delle membrane FLUSSO CRITICO: APPLICABILITÀ AI SISTEMI MBR Metodologia per la determinazione sperimentale del flusso critico APPLICAZIONE DEI BIOREATTORI A MEMBRANA AL TRATTAMENTO DI REFLUI CIVILI PREMESSA CARICHI VOLUMETRICI APPLICATI E RIMOZIONE DEI SUBSTRATI ORGANICI CONCENTRAZIONE DI BIOMASSA PRODUZIONE DI FANGO RIMOZIONE DELL AZOTO RIMOZIONE DEL FOSFORO DISINFEZIONE PARAMETRI IDRAULICI CONSUMI ENERGETICI APPLICAZIONE DEI BIOREATTORI A MEMBRANA AL TRATTAMENTO DI REFLUI INDUSTRIALI INTRODUZIONE GENERALE APPLICAZIONE DEI SISTEMI MBR AL TRATTAMENTO DI REFLUI SUINICOLI (ROZZI E MALPEI, 2003) Abbattimento del COD Rimozione composti azotati Rimozione del fosforo Abbattimento della carica microbica, della torbidità, del colore e dell odore Valutazione del modulo di filtrazione APPLICAZIONE DEI SISTEMI MBR AL TRATTAMENTO DI EFFLUENTI FARMACEUTICI (ROZZI E TARDIVO, 2003) Efficienza di depurazione Concentrazione dei fanghi APPLICAZIONE DEI SISTEMI MBR AL TRATTAMENTO DI REFLUI DELL INDUSTRIA TESSILE Caratteristiche generali dei reflui tessili Sperimentazione presso l impianto di depurazione di Baciacavallo Sperimentazione presso l impianto di depurazione di Calice Considerazioni conclusive BIBLIOGRAFIA...175

5 1. Introduzione L entrata in vigore del Decreto Legislativo 258/00 in recepimento delle Direttive Comunitarie 271/91 e 676/91 ha comportato l introduzione di limiti normativi più restrittivi per quanto riguarda la rimozione dei nutrienti dalle acque reflue. In particolare, il concetto di area sensibile inteso come corpo idrico ricettore esposto al rischio di eutrofizzazione ha posto l esigenza di interventi di adeguamento degli impianti di depurazione esistenti, spesso caratterizzati unicamente da comparti di ossidazione biologica dei composti organici. Tuttavia, questa necessità di potenziamento, tende a scontrarsi con la sempre minore disponibilità di superficie per la realizzazione di processi a fanghi attivi convenzionali, favorendo il crescente interesse degli operatori per alcune tipologie di trattamento in grado di compattare le volumetrie di processo. I reattori biologici a membrana (MBR, dall inglese Membrane Biological Reactor) derivano dall accoppiamento dei tradizionali processi a biomassa sospesa con i processi di filtrazione su membrane microporose o ultraporose, a seconda delle dimensioni nominali dei pori. I maggiori vantaggi legati a questa tecnologia vanno ricercati nella possibilità di eliminare l unità di sedimentazione a valle del comparto biologico e tutti i vincoli gestionali ed operativi ad essa connessa. La sostituzione del comparto di sedimentazione con un comparto di

6 filtrazione su membrane comporta: una notevole riduzione dell ingombro planimetrico dell impianto di depurazione, dovuta sia alla scomparsa del sedimentatore che all incremento di concentrazione di solidi sospesi nel reattore biologico; la possibilità di gestire il processo biologico in maniera totalmente indipendente dalle fluttuazioni di carico idraulico (il tempo di residenza cellulare ed il tempo di ritenzione idraulica sono completamente svincolati tra loro); la diminuzione dei fanghi di supero, associata ai più alti valori di età del fango; l eliminazione dei problemi di sedimentabilità del fango solitamente riscontrabili negli impianti a fanghi attivi convenzionali; il sensibile miglioramento delle caratteristiche qualitative dell effluente, compatibili con il potenziale riuso agricolo dell acqua depurata. A fronte di questi vantaggi dei sistemi MBR, restano ancora diversi aspetti da chiarire, sia in relazione alle cinetiche del processo biologico che al controllo dei fenomeni di sporcamento della membrana. Questa monografia scaturisce dell esperienza di ricerca sui processi a membrana gli MBR maturata dal LISA (Laboratorio di Ingegneria Sanitaria e Ambientale dell Università degli Studi di Trento) nel corso degli ultimi anni. Essa è rivolta a progettisti, gestori di impianto ed autorità di controllo e mira a fornire gli elementi conoscitivi sia teorici che pratici per una corretta progettazione e gestione dei sistemi MBR. Nel Capitolo 2 vengono presentati gli aspetti teorici di base dei processi di filtrazione su membrana, ivi incluse le classificazioni tipiche delle membrane e le principali equazioni che descrivono i fenomeni di trasporto interessati. Nel Capitolo 3 il manuale riporta i principali schemi di processo utilizzati per i bioreattori a membrana, descrivendo alcune tra le tipologie di membrane più diffuse sul mercato. Il Capitolo 4 presenta un criterio di calcolo per il dimensionamento del comparto

7 biologico dei sistemi a biomassa sospesa, applicabile sia ai sistemi MBR che ai trattamenti convenzionali a fanghi attivi. Scopo del Capitolo 5 è la descrizione dei meccanismi responsabili dello sporcamento della membrana (fouling) e del conseguente peggioramento delle prestazioni, nonché le possibili strategie di controllo. Il Capitolo 6 raccoglie i risultati di alcune tra le più recenti esperienze applicative della tecnologia al trattamento di reflui civili mentre il Capitolo 7, redatto da ricercatori del Politecnico di Milano e dell Università degli Studi di Firenze, presenta i risultati ottenuti applicando il processo al trattamento di varie tipologie di reflui industriali.