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1 Introduzione Università degli Studi di Naoli Federico II Università degli Studi di Palermo Università degli Studi di Salerno Crescente interesse er l utilizzo di nuove tecnologie er il trattamento delle acque reflue, quali gli MBR (Membrane BioReactors), diverse da quelle convenzionali(cas: Conventional Activated Sludge) er: a) interventi di otenziamento di imianti esistenti sovraccaricati, er BioMAc 2016 Bioreattori a Membrane (MBR) e trattamenti avanzati er la deurazione delle Acque Gli imianti MBR: generalità e dimensionamento Gasare Viviani (Università di Palermo) aumento degli AE serviti o sottodimensionamento iniziale; b) interventi di adeguamento di imianti esistenti, er il risetto di standard di qualità iù esigenti, introdotti dalle nuove normative (D.lgs. 152/2006); c) interventi di riuso delle acque reflue in imianti nuovi o esistenti (risetto di limiti iù restrittivi; D.M. 185/2003); d) realizzazione di nuovi imianti in aree di modesta estensione (roblemi di inserimento urbanistico dell imianto, mascheramento imianti,etc.). Palermo, ottobre 2016 Sviluo e diffusione degli MBR La filtrazione su membrana Anni 60 Dorr Oliver (trattamento acque di sentina delle navi conf. membrane esterne) 1989 Yamamoto Kubota (membrane iane sommerse) Obiettivo: searazione fisica di solidi sosesi, colloidali o disciolti da un mezzo liquido o gassoso. Passaggio del flusso er mezzo dell alicazione di una ressione transmembrana: Membrana Istallazioni in oltre 200 Paesi del mondo, rincialmente est asiatico (Cina, Korea, Giaone). Istallazioni MBR in Euroa: oggi oltre 1000 imianti, di cui ¾ er reflui industriali, ma con maggiori otenzialità er i reflui civili Prof. Gasare Viviani 1

2 La filtrazione su membrana La filtrazione su membrana Effetti dell alicazione di una ressione attraverso la membrana: Modalità di alimentazione della membrana: Alimento Q A, C A Concentrato Q C, C C Flusso ermeato Pressione transmembrana Q J= A P TMP= R xµ J Permeato Q P, C P A : area filtrante J : flusso di ermeato [m 3 /m 2 s] TMP : ressione di transmembrana [Pa] µ : viscosità del ermeato [Pa s] R x : resistenza alla filtrazione[m -1 ] Filtrazione dead end Filtrazione cross flow Vantaggi della filtrazione cross flow: minore gradiente di intasamento idonea er sosensioni concentrate autoulizia dovuta all elevata velocità tangenziale del flusso, con asortazione solidi deositatisi sulla membrana Tiologie di membrane Trattamenti biologici a membrana Tiologie di membrane Membrane er Osmosi Inversa, Nanofiltrazione, Ultrafiltrazione, Microfiltrazione naturali(acetato di cellulosa) olimerici Materiali er membrane: sintetici(pp, PET, olisolfoni, oliolefine, etc.) ceramici Le membrane utilizzate negli imianti MBR sono quelle di MICROFILTRAZIONE e di ULTRAFILTRAZIONE (orosità 0,04 0,4 µ) Obiettivi occlusione, limitazione ressione Membrane anisotroe, costituite dalla sovraosizione di uno strato sottile suerficiale (funzione di filtrazione) su uno iù sesso e oroso(funzione meccanica) Assemblaggio delle membrane in moduli (elevate suerfici in volumi iccoli). Prof. Gasare Viviani 2

3 Tiologie di moduli di membrane Configurazione moduli e loro utilizzo negli MBR PER CONFIGURAZIONI SIDE-STREAM E SOMMERSE (olimeriche) Imianti MBR er la rimozione del carbonio e di nitrificazione configurazione side stream : er iccoli imianti ad uso industriale configurazione a membrane sommerse : iù adoerate; schema con membrana in vasca searata iù comodo er manutenzione PER CONFIGURAZIONI SIDE-STREAM (ceramiche) con modulo esterno (side stream) con membrane sommerse (SMBR) intercettazione da arte delle membrane delle frazioni carboniose articellata(tutta) e disciolta(arte) modesta influenza della membrana sul TKN (in buona arte disciolto) rocesso favorito dai lunghi temi di residenza cellulare e dalle elevate concentrazioni di biomassa Configurazione moduli e loro utilizzo negli MBR Imianti MBR nitro/denitro Caratteristiche di rocesso degli imianti MBR VANTAGGI: la membrana sostituisce la sedimentazione finale: intercettazione totale delle frazioni carboniose articellata e arziale di quella disciolta(tra 0,45 µ e la orosità della membrana) rimozione della frazione disciolta grazie ai rocessi biologici nel reattore(rimozione COD disciolto, nitro/denitro) effetto barriera nei confronti dei microrganismi (batteri, virus) assenza di disinfezione? scarsa influenza della membrana sulla den (comosti disciolti) ossibile eggioramentoer ricircolo di O 2 coi nitrati (elevata aerazione) rocesso favorito dagli elevati temi di residenza cellulari concentrazioni elevate di biomassa nel reattore (anche g/l), elevate età del fango (fango stabile?), bassa roduzione di fango differenti cinetiche di rocesso all interno del reattore biologico risetto a un imianto convenzionale: diversa comosizione della biomassa, er i differenti meccanismi di selezione, basati sulla caacità degradativa e non sulle caratteristiche di sedimentabilità Prof. Gasare Viviani 3

4 Caratteristiche di rocesso degli imianti MBR SVANTAGGI: rogressiva occlusione della membrana: ortata costante e TMP crescente (referita) ortata decrescente e TMP costante necessità di eriodici lavaggi (fisici e chimici) della membrana ( durabilità nel temo) dubbi sulla durata delle membrane elevati costi di imianto(membrane) e di esercizio(aerazione) Problemi di esercizio delle membrane: il fouling FOULING: è dovuto al deosito di sostanze sosese o disciolte sulla suerficie esterna della membrana e all interno dei ori. Conseguenza: aumento delle resistenze alla ermeazione (TMP) e rogressiva occlusione della membrana Standard blocking (a) (b) (c) (d) fouling reversibile Pore Blocking Comlete blocking Intermediate blocking Cake deosition fouling irreversibile (a)+(c) adsorbimento nei ori o sulla suerficie della membrana (b) occlusione comleta dei ori (d) deosito suerficiale di articelle Fouling reversibile: totalmente eliminabile con lavaggio fisico Fouling irreversibile: arzialmente eliminabile con lavaggio chimico Problemi di esercizio delle membrane: il fouling Ruoli della membrana e del reattore biologico nella rimozione degli inquinanti Rend. totale rimozione COD: rendimento di rimozione comlessiva del COD di circa il 90% (70% dovuto al rocesso biologico; 20% dovuto alla filtrazione attraverso la membrana). Rendimenti [%] ηtot ηbio ηmem lavaggio fisico lavaggio chimico Variazione nel temo della TMP er funzionamento a flusso costante COD CODs Rend.totalerimozioneCOD sol : (da Di Bella, 2008) rendimento comlessivo inferiore (circa 80 %); il rendimento di filtrazione è oco meno del 10%, er la resenza nel COD sol di solidi disciolti < alla orosità della membrana(0,04 µ). Rend. membrana calcolato sul surnatante del reattore biologico: arial70%circa. Rend. rimozione ammoniaca/nitrati: Nitro/denitro nel reattore biologico; trascurabile effetto della membrana 0 Prof. Gasare Viviani 4

5 Dimensionamento degli imianti MBR a) imianti er la rimozione del carbonio: occorre tener conto della caacità di intercettazione da arte delle membrane delle frazioni carboniose articellata (tutta) e disciolta (arte) e delle differenti cinetiche di rocesso all interno del reattore biologico; dim. reattori biologici MBR imianti convenzionali b) imianti er la rimozione del carbonio + nitrificazione: dimensionamento diendente dalla nitrificazione (rocesso iù lento); rocesso favorito dai lunghi temi di residenza cellulare e dalle elevate concentrazioni di biomassa; oca influenza della membrana sul TKN (in buona arte disciolto); dim. reattori biologici MBR imianti convenzionali Calcolo del volume del reattore biologico La letteratura tecnico-scientifica roone differenti criteri di calcolo adoerabili: metodi semlificati(basati solo sul carico del fango) metodi razionali senza frazionamento del substrato metodi razionali con frazionamento del substrato modelli di simulazione di rocesso (tio ASM) c) imianti nitro/denitro: scarsa influenza della membrana sul rocesso di den ossibile eggioramento er ricircolodi O 2 coi nitrati (oortunità di deox in ricircolo nitrati) criteri di dimensionamentodei reattori biologici di denidentici a quelli degli imianti convenzionali Calcolo del volume del reattore biologico Proosta di un semlice metodo di dimensionamento, che non tiene in conto il frazionamento del substrato alimentato, facendo quindi riferimento alla concentrazione totale di COD, ma che tiene conto dell effetto di fiatrazione della membrana(mod. da Wen et al, 1999). Bilancio di massa in condizioni stazionarie della biomassa e del substrato er un reattore MBR: Q, X, S Qo, Xo, So V, Xv, Sv Qs, Xs, Ss Schema a blocchi di un bioreattore a membrana Q ortata X conc.biomassa (SST) S conc. substrato (COD) Iotesi:- reattore a comleta miscelazione - condizioni stazionarie - conc. biomassa trascurabili nei flussi entranti e di ermeato - comleta idrolisi del COD biodegradabile Calcolo del volume del reattore biologico Si ricavano le due seguenti relazioni, utilizzabili er il rogetto del reattore biologico: 1 ( ) S η 1 FS ϑ= µ Età del fango: max K d + ( η ) Ks S 1 FS Volume reattore: V = ( So S) QYϑ ( 1+ Kdϑ) Xv Y( So S ( 1 ηfs) ) η FS è il rendimento di filtrazione valutato risetto alla concentrazione del surnatante del reattore biologico: S η FS = 1 S X V è la concentrazione di SST in vasca, osta 10 g/l, er limitare i fenomeni di fouling Legenda: µ: velocità di crescita cellulare; µ max : velocità massima di crescita cellulare; K s : costantedisemisaturazionedelsubstrato;k d :velocitàdiscomarsabatterica;v:velocitàdi rimozione del substrato; Y: coefficiente di crescita cellulare; S : concentrazione substrato nel ermeato; S sur : concentrazione del substrato nel surnatante del reattore biologico; X V : concentrazione di biomassa in vasca sur Prof. Gasare Viviani 5

6 Calcolo della suerficie delle membrane Si fissa il flusso massimo di ermeato (l/m 2 ora), che diende dalla tiologia di membrana e della configurazione del sistema. Esso va scelto: non troo basso ( elevate suerfici comlessive delle membrane e quindi elevati costi di imianto er i moduli di membrane); non troo alto ( elevato sorcamento delle membrane ed eccessiva frequenza di ulizia della membrana stessa). Si definisce flusso sostenibile quel valore ottimale di flusso di ermeato da estrarre, al fine di minimizzare gli interventi di ulizia chimica e così rolungare la durata della membrana. Il valore di J cr è solitamente indicato dalle case roduttrici dei moduli dimembraneedassume valoridicirca20-50 l/m 2 ora. Per sicurezza, il flusso di rogetto J er il dimensionamento delle membraneuòessere osto arial 80%diJ cr. Calcolo della suerficie delle membrane La suerficie totale della membrana A uò essere facilmente ricavato come raorto tra la ortata massima alimentata e il valore di J cosi scelto: Qmax A = J Dal valore di A, in funzione della tiologia e del modello di membrana adottato, si valuterà il numero di moduli necessario er l imianto. Problema: quale valore scegliere come Q max e come contenere il raorto Q max /Q med? necessità di limitare gli incrementi di ortata in temo secco e di ioggia risetto al valor medio di temo secco, al fine di limitare la suerficie delle membrane e/o il loro eventuale sovraccarico. P Calcolo della suerficie delle membrane Possibili soluzioni imiantistiche: a) reattore biologico con livello variabile(funzione di comenso); b) vasca di equalizzazione in derivazione, a cui sono avviate a mezzo di uno scaricatore di iena le ortate in eccesso: c) imianto ibrido : accoiamento di una linea MBR a Q=cost e una CAS o chimico-fisica alimentata dalle ortate in eccesso; qualità del refluotrattato mediaesata deidue flussiinuscita da MBReCAS: Calcolo del sistema di aerazione (imianti SMBR) Ilsistema diaerazione haloscoo di: garantire le condizioni aerobiche di rocesso nel reattore biologico; limitare i fenomeni di sorcamento della membrana; mantenere condizioni di miscelazione comleta nel reattore. Tali obiettivi si ossono raggiungere mediante la realizzazione di un dulice sistema di aerazione a insufflazione d aria: il rimo a bolle grosse, er la ulizia delle membrane grazie all elevata agitazionerovocato da bolleditalidimensioni(scouring v d 2 ); il secondo a bolle fini, idoneo al trasferimento d ossigeno in acqua (O.C. S/V 1/d). Prof. Gasare Viviani 6

7 Calcolo del sistema di aerazione Per il calcolo della ortata d aria del sistema a bolle grosse si uò utilizzare la domanda secifica d aerazione (SAD: Secific Aeration Demand), definibile come: a) raorto tra la ortata d aerazione e la suerficie comlessiva della membrana(sad m ) b) raorto tra la ortata d aerazione e la ortatadiermeato (SAD ): SAD Q m = A m h 3 a m 2 SAD Q [ ] a = JPA I valori dei SAD sono solitamente consigliati dalle Aziende roduttrici delle membrane. Possibili esressioni adottabili: 3 m SADm = 0,0044 J + 0,708 er moduli a membrane iane 2 m h SAD = 0,0052 J + 0,326 er moduli a fibre cave [ ] Calcolo del sistema di aerazione Per il calcolo della ortata del sistema a bolle fini ossono adoerarsi gli stessi algoritmi validi er gli imianti CAS. La caacità di ossigenazione del sistema a bolle fini uò essere ricavata a artire del fabbisogno totale di ossigeno, al netto del contributo dato dal sistema d aerazione a bolle grosse, che, erquanto inferiore come resa di trasferimento, è tuttavia generalmente non trascurabile. Il fabbisogno d ossigeno deve tener conto del consumo er nitrificazione. chesiverificaer glielevativaloridiϑtiicideglimbr: kgo h 2 ( ) ( ) O2 = a' S0 Se Q+ b' V X+ c' TKN0 TKNe 0,05 S0 S e Q N.B.: fattore di trasferimento d ossigeno α minore risetto a im. convenzionali? - maggioreconcentrazione di SST invasca (α 0,4?); - minore granulometria dei fiocchi, con migliore caacità di trasferimento di O 2 risetto agli imianti convenzionali (maggiore S/V) Ulteriori elementi di rogetto frequenza e durata dei cicli di filtrazione: - alimentazione (8-15 min) + lavaggio fisico (1-2 min) o relaxation (sosensione alimentazione) fouling reversibile - cicli di lavaggio chimico di mantenimento (2 volte/mese) + intensivi (2 volte/anno) fouling irreversibile; ressione trasmembrana (TMP): da < 0,5 bar (membrana sommersa) a 1-5 bar (side stream) ome di asirazione (configurazione SMBR), o di comressione (configurazione side stream) del ermeato; di ricircolo fango (SMBR in vasca searata); otenza dei comressori d aria, distinti fra i due sistemi di aerazione, abollefiniegrosse; ortata del fango di suero, calcolabile con le stesse esressioni utilizzabili er gli imianti convenzionali. Alcuni schemi in variante er gli MBR IMPIANTI MISTI A BIOMASSA ADESA E SOSPESA (MB-MBR o BF-MBR) Introduzione del reattore biologico di cori di riemimento sintetici, in modo da agevolare la formazione di biomassa adesa (come MBBR). Vantaggi: a) maggiore biomassa nel reattore minori volumi b) ossibilità di mantenere minori concentrazioni di SST in vasca (a arità di biomassa totale) minore fouling Prof. Gasare Viviani 7

8 Alcuni schemi in variante er gli MBR SCHEMI CON FUNZIONAMENTO IN DISCONTINUO (SBR-MBR) Alternanza di fasi di aerazione e fasi anaerobiche/anossiche, con rimozione simultanea di azoto e fosforo. Riemimento in fase anaerobica/anossica; estrazione ermeato in fase aerobica. SBR MBR Alcuni schemi in variante er gli MBR Idonei er il trattamento di reflui ad elevato carico organico. L effetto barriera della membrana favorisce l aumento della biomassa, riduce i temi di digestione e migliora la qualità dell effluente. Soluzioni adoerate: - side stream (referita) - a membrana sommersa con insufflazione di biogas. MBR ANAEROBICI (ANMBR) a) side stream b) a membrana sommersa c) a membrana sommersa in comarto searato Gasare Viviani Diartimento di Ingegneria Civile, Ambientale, Aerosaziale, dei Materiali Università degli Studi di Palermo gasare.viviani@unia.it BioMAc 2016 Prof. Gasare Viviani 8