Bioreattori a Membrane (MBR) per la depurazione delle Acque. Meccanismi di formazione del fouling nei bioreattori a membrane

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Ignazio De Marco
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Università degli Studi di Salerno Università degli Studi di Napoli Federico II Università degli Studi di Palermo Corso di Aggiornamento Bioreattori a Membrane

1 Università degli Studi di Salerno Università degli Studi di Napoli Federico II Università degli Studi di Palermo Corso di Aggiornamento Bioreattori a Membrane (MBR) per la depurazione delle Acque Meccanismi di formazione del fouling nei bioreattori a membrane Vincenzo Naddeo (Università di Salerno) Palermo, 4-5 Luglio, 213

2 Il Fouling Il fouling determina una perdita di efficienza della membrana a causa del deposito di sostanze sospese o disciolte sulla sua superficie esterna, in prossimità delle aperture dei pori o all interno dei pori stessi (Koros et al., 1996). Membrane Biomassa Condizioni operative Configurazione (piane, a fibra cava, ecc.) SSML Configurazione (sommerso, ricircolato) Materiale EPS Velocità di crossflow Idrofobicità Struttura dei fiocchi Aerazione Porosità Sostanze disciolte Tempo di detenzione idraulica/età del fango Dimensione dei fiocchi TMP/J

3 Il Fouling e Sostanze polimeriche extracellulari (EPS) La capacità di fouling della biomassa di un MBR è fortemente influenzata dalla presenza di fiocchi di fango, colloidi e macromolecole (EPS) (Ye et al., 25). Le EPS, la cui quantità nella biomassa di un MBR varia tra il 5% ed il 9% della materia organica totale, si compongono di polisaccaridi, proteine, acidi nucleici e lipidi (Bura et al., 1998; Negaresh et al., 27).

4 Sostanze polimeriche extracellulari (EPS) Fiocco biologico EPS Batterio Substrato organico Azione tangenziale Frammenti di fiocchi EPS colloidali EPS solubili Crescita del biofilm Substrato organico Membrana Farquharson e Zhou, 21

5 Stato dell arte della ricerca La propensione al fouling delle EPS è superiore in condizioni di limitato substrato (Nagaoka et al., 21) o di mutamento delle caratteristiche dell alimentato (Drews et al., 26) I polisaccaridi sono generalmente trattenuti dalle membrane in misura maggiore rispetto alle proteine e tendono ad accumularsi nella miscela liquida (Meng et al., 29; Pan et al., 29) I polisaccaridi in forma solubile e colloidale sono la principale causa del fouling (Wu e Huang, 29) Test su model foulants (Drews, 21): proteine (Hughes et al., 27; Loh et al., 29); materia organica naturale (Liang et al., 26); polisaccaridi (Wang e Waite, 28; Susanto et al., 21; van de Ven et al., 211)

6 Polisaccaridi: Alginati Azotobacter vinelandii Principali polisaccaridi microbici; Prodotti da Azotobacter vinelandii e Pseudomonas aeruginosa; Produzione di idrogel; Composto indicatore nei processi a membrane. Pseudosomonas aeruginosa

7 Polisaccaridi: solfato sale sodico Fortemente idrofilo; Utilizzato come indicatore nei processi a membrane; Composto indicatore nei processi a membrane. Leuconostoc mesenteroides

8 Polisaccaridi: gomma di xantano Gomma di xantano Principali caratteristiche: Alto peso molecolare; Frammentazione del glucosio o saccarosio da parte dei Xantomonas; Polvere color crema; destrano solfato sale sodico Alta viscosità Foulant molto severo Xanthomonas

9 Polisaccaridi: Glucano ß-1,3- glucano Catene di polisaccaridi a base di D- glucosio; Poco solubile; Prodotto dall attività dei Saccharomvces cerevisiae Saccharomyces cerevisiae

= 2 P c P p TMP = P a P p in cui: P A = pressione del flusso di alimentato P C =

10 Filtrazione tangenziale e ortogonale Filtrazione tangenziale Filtrazione ortogonale Alimentato Alimentato Concentrato Permeato Permeato Pressione di transmembrana TMP Pa + = 2 P c P p TMP = P a P p in cui: P A = pressione del flusso di alimentato P C = pressione del flusso di concentrato P P = pressione del flusso di permeato Wilf M. & Pearce G., 21

11 Meccanismi di fouling Complete pore blocking Intermediate pore blocking Standard pore blocking Pressione [psi] Cake build-up Intermediate model Standard model Complete model Cake formation Tempo [min] Grace, 1956 Bolton et al., 26

12 Obiettivi Esaminare i principali meccanismi di sviluppo del fouling; Interpretare il fouling con riferimento alle dimensioni delle particelle; Definire i parametri operativi di un reattore MBR preferibili per il contenimento del fouling

13 Materiali e Metodi

14 Materiali e metodi: composti studiati Gomma di xantano solfato sale sodico ß-1,3- glucano

15 Materiali e metodi: composti utilizzati Impianto per test di filtrazione tangenziale: Membrana piana in PVDF Porosità membrana: 4 nm Superficie filtrante: m 2 Cross-sectional flow area: m 2 Velocità di crossflow: 1.25 cm s -1 Impianto per test di filtrazione ortogonale: Membrana a fibra cava in PVDF Porosità membrana: 4 nm Superficie filtrante: m 2

16 Fasi della ricerca Prove di Filtrazione Tangenziale Cranfield University (UK) Prove di Filtrazione Ortogonale Università di Salerno (IT)

17 Obiettivi Esaminare i principali meccanismi di sviluppo del fouling; Esaminare il ruolo dei polisaccaridi nella formazione del fouling Interpretare il fouling con riferimento alle dimensioni delle particelle;

18 Materiali e Metodi: Prove di flux-step Sospensioni acquose di 5 polisaccaridi: gomma xantano alginato di sodio ß-1,3-glucano destrano solfato sale sodico alginato di calcio Concentrazione iniziale: 2 mg l -1 Durata complessiva dei test: 9 min Incremento del flusso: 5-1 l m -2 h -1 Durata dell incremento: 1 min Monitoraggio della TMP come indicatore della formazione di fouling Determinazione del flusso critico Flusso [LMH] Tempo [min] Le-Clech et al., 23

19 Materiali e Metodi: Prove di Filtrazioneì Sospensioni acquose di 5 polisaccaridi Concentrazione iniziale: 2 mg eq l -1 secondo il metodo di Dubois (Judd, 26) Xantano gomma : 26,3 mg l -1 ß-1,3-glucano: 26,9 mg l -1 solfato sale sodico: 53,2 mg l -1 : 63,1 mg l -1 : 76,4 mg l -1 Tempo di trattamento: 18 min Flusso di permeato: 2 l m -2 h -1 Monitoraggio della TMP Individuazione dei meccanismi di fouling dominanti Campioni (2 ml) di retentato e permeato prelevati ogni 1 min Valutazione della concentrazione di polisaccaridi (Dubois, 1956) Stima della massa di polisaccaride sulla superficie della membrana (bilancio di massa) Valutazione della distribuzione dimensionale delle particelle in sospensione Punti di prelievo campioni

20 Discussione dei Risultati

21 Filtrazione tangenziale: flusso critico Polisaccaride d 5 [nm] Flusso critico [LMH] P P ave dp/dt ß- 1,3- glucano Gomma di xantano P [mbar] Xantano gomma - 1,3- glucano P ave [mbar] Xantano gomma - 1,3- glucano dp/dt [mbar min - 1 ] Xantano gomma - 1,3- glucano Flusso [LMH] Flusso [LMH] Flusso [LMH]

22 Filtrazione ortogonale: flusso critico Carboidrato Flusso Critico [LMH] P P ave dp/dt β-1,3-glucano Xantano gomma P [mbar] Xantano gomma β-1,3-glucano dp/dt [mbar min -1 ] Xantano gomma β-1,3-glucano P ave [mbar] Xantano gomma β-1,3-glucano Flusso [LMH] Flusso [LMH] Flusso [LMH]

23 Prove di filtrazione: meccanismi di fouling Filtrazione tangenziale Filtrazione ortogonale TMP [bar] 1,,9,8,7,6,5,4 β-1,3-glucano Xantano Gomma,3,2,1, Tempo [min] Polisaccaride Meccanismo di fouling dominante Formazione di cake layer; K C = 1755 h m -2 ; R 2 =,991 Formazione di cake layer; K C = 765 h m -2 ; R 2 =,991 Bloccaggio intermedio; K i = 42 m -1 ; R 2 =,972 ß- 1,3- glucano - - Gomma di xantano Formazione di cake layer; K C = 189,2 h m -2 ; R 2 =,997 Polisaccaride Meccanismo di fouling dominante Formazione di cake layer; K C = 291,4 h m -2 ; R 2 =,991 Formazione di cake layer; K C =257,1h m -2 ; R 2 =,991 ß- 1,3- glucano - - Gomma di xantano Formazione di cake layer; K C = 232,9 h m -2 ; R 2 =,997 Pressione [psi] Cake Formazione build-updi cake Intermediate Occlusione intermedia model Standard Occlusione model standard Complete Occlusione model completa Tempo [min]

24 Stima della concentrazione di carboidrati Filtrazione tangenziale Filtrazione ortogonale Punti di prelievo campioni 1 Carboidrati nel retentato [mg l - 1 ] ,3- glucano 1 Xantano gomma Tempo [min] Carboidrati nel retentato [mg l - 1 ] 1 9-1,3- glucano 8 Xantano gomma Punti di prelievo campioni Tempo [min] Carboidrati nel permeato [mg l - 1 ] ] ,3- glucano Xantano gomma Tempo [min] Carboidrati nel permeato [mg l - 1 ] ] ,3- glucano Xantano gomma Tempo [min]

25 Stima della massa depositata sulla membrana Filtrazione tangenziale Filtrazione ortogonale Massa depositata per unità di supe erficie [g m - 2 ] ,3- glucano Xantano gomma Massa depositata per unità di super rficie [g m - 2 ] 1,,8,6,4,2, - 1,3- glucano Xantano gomma Tempo [min] Tempo [min] TMP [bar] 1,,9,8,7,6,5,4 β-1,3-glucano Xantano Gomma,3,2,1, Tempo [min]

26 Analisi dimensione delle particelle Filtrazione tangenziale Filtrazione ortogonale d 5 [nm] ,3- glucano Gomma di xantano d 5 [nm] Glucano Gomma di Xantano Time [min] Tempo [min] TMP [bar] 1,,9,8,7,6,5,4 β-1,3-glucano Xantano Gomma,3,2,1, Tempo [min] NanoSight LM2 Malvern Zetasizer

27 Filtrazione tangenziale: meccanismi di trasporto Pressione [psi] 5 45 Cake build-up Intermediate model 4 Standard model 35 Complete model Tempo [min] Diffusione Browniana Diffusione indotta dalla sollecitazione tangenziale Inertial lift d 5 [nm] β-1,3-glucano Xantano gomma in cui: C W è la concentrazione della sospensione in corrispondenza della superficie della membrana C b è la concentrazione della sospensione nel reattore Tempo [min] a è il raggio medio delle particelle in sospensione [m] γ è la sollecitazione tangenziale alla superficie della membrana r è la densità della sospensione h è la viscosità della sospensione

28 Conclusioni

29 Processi ad Ultrasuoni investigati al SEED Sono stati analizzati i meccanismi di fouling dominanti Sono state individuate relazioni tra il fouling delle membrane e le caratteristiche chimico-fisiche dei reflui È stata confrontata l influenza della conformazione del sistema sulla formazione del fouling

30 Vincenzo Naddeo Sanitary Environmental Engineering Division Dipartimento di Ingegneria Civile Università degli Studi di Salerno

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