Analisi di un impianto MBR a cicli alternati anossico/aerobico

Intoduzione
IBioreattoriamembrana(MBR),costituitidall’accoppiamentodiunsiste-
ma biologico a fanghi attivi con un sistema di filtrazione su membrana, per la
separazione della biomassa, sono tra i sistemi di depurazione, per via biologica,
che hanno riscosso maggior interesse. Gli MBR presentano indubbi vantaggi, in
termini sia di elevata qualità dell’effluente depurato che di ridotti ingombri pla-
nimetricievolumetrici,chelirendonoadattiinmoltesituazioni,qualiquelleove
si rende necessaria l’attuazione di interventi di adeguamento e/o potenziamento
ai sensi del Decreto Legislativo 152/06, ovvero ove è richiesto il rispetto di stan-
dard di qualità idonei a consentire il riutilizzo dell’effluente depurato in ambito
agricolo o all’interno del ciclo produttivo di processi industriali. Benché siano
sempre più numerosi gli studi riguardanti la caratterizzazione del sistema MBR,
la progettazione di impianti a scala reale resta piuttosto empirica a causa della
complessità nell’interpretazione delle interazioni tra la biomassa e le membrane
filtranti: ciòsitraduceinmaggioricostid’investimentoedoperativirispettoagli
impianti convenzionali a fanghi attivi, principalmente correlati al contenimento
del fouling delle membrane. L‘attenzione del mondo scientifico è oggi pertan-
to volta prevalentemente alla caratterizzazione del fouling e alla definizione di
strategie operative che siano in grado di minimizzarne la formazione nel tempo.
Il fouling è sensibilmente influenzato dalla tipologia di materiali e dalla con-
figurazione delle membrane filtranti, oltre che dalla miscela liquida, di natura
complessa perché ricca di colloidi, fango biologico e macromolecole disciolte. Le
19
20 Introduzione
componenti macromolecolari, denominate generalmente "Sostanze Polimeriche
Extracellulari"(EPS),sonoilprodottodellasecrezioneattivadellemucosedelle
cellulemicrobiche;possonoinoltrederivaredalrilasciodimaterialedallasuperfi-
cie cellulare o dalla lisi cellulare. Le EPS includono polisaccaridi, proteine, acidi
nucleici, lipidi e altri polimeri che si rinvengono sulla superficie cellulare dei sin-
goli microrganismi e nello spazio intercellulare degli aggregati microbici. Nel
mondo scientifico è oggi consolidata l‘opinione secondo cui le EPS siano tra le
maggiori responsabili del fouling delle membrane. Nel tentativo di approfondire
le conoscenze concernenti i meccanismi di evoluzione del fouling, la dipendenza
dallecaratteristichechimico-fisichedeirefluitrattatiedallecondizioniidrodina-
miche instauratesinel sistema, gli studiscientifici descrittiin letteraturavedono
spesso l‘impiego di moduli di filtrazione a membrana di dimensioni ridotte e di
composti indicatori (model foulants), che consentono, in maniera semplificata,
la riproduzione in laboratorio delle condizioni reali, l‘analisi dei fondamentali
meccanismi di fouling e l‘applicazione delle più avanzate tecniche analitiche e di
caratterizzazione.
Da un paio di decenni a questa parte, è stato dimostrato un particolare inte-
resse scientifico verso le tecniche a cicli alternati; infatti, realizzando un’aerazio-
ne intermittente in un processo MBR convenzionale, alle già elevate prestazioni
offerte dal sistema a membrane, si aggiungono elevate rese di rimozione dei nu-
trienti, con il grande vantaggio di avere un unico bacino piuttosto che comparti
separati come per i convenzionali processi di rimozione dei nutrienti (BNR).
In riferimento a quanto esposto, l’attività è stata suddivisa in due campa-
gne sperimentali ed ha avuto quali principali obiettivi, nella prima campagna
sperimentale, lo studio dell’influenza dell’aerazione intermittente nel comparto
biologico di un sistema MBR in configuarazione di tipo misto, le correlazioni tra
l’alternanzadicicliaerobicieanossicinelbioreattoreeleprestazionidepurative.
La seconda campagna sperimentale è stata suddivisa in due periodi si stu-
dio in cui l’impianto ha assunto due differenti configurazione. In merito agli
obiettivi preposti è stato condotto un confronto, in termini di prestazioni, con
un bioreattore denitro-nitro e uno a a cicli alternati. E’ stata posta particolare
Introduzione 21
attenzione sulla produzione delle EPS, ritenute tra le cause primarie del fou-
ling della membrana, ed è stato effettuato un confronto delle due configurazioni
studiate.
Capitolo 1
Ibioreattoriamembrana
La tecnologia MBR è caratterizzata dalla combinazione di processi di de-
gradazione biologica a fanghi attivi e di filtrazione su membrana, per cui la
biomassa può essere trattenuta dal sistema senza ricorrere alla sedimentazione
secondaria. Questo accoppiamento comporta notevoli vantaggi rispetto ad un
impianto convenzionale a fanghi attivi, in termini volumentrici, di qualità del-
l’effluenteediminoreproduzionedifango(Judd, 2006). L’installazionediMBR
ha avuto notevole successo in tutto il mondo, non solo su impianti di tratta-
mento di reflui industriali di piccola scala, ma anche negli impianti municipali
di grande scala (Yang, et al.,2006).
La prima tecnologia derivante dall’accoppiamento dei processi di degrada-
zione biologica a fanghi attivi e di filtrazione su membrana fu progettata e
implementata alla fine degli anni sessanta presso il Rensselaer Polytechnic In-
stitute di Troy (New York, USA) e la Dorr- Oliver Inc. (Milford, Connecticut,
USA) (Smith et al., 1969; Hardt et al.,1970).IprimiMBRascalarealeappar-
vero nel nord dell’America solo alla fine degli anni settanta e successivamente in
Giappone nei primi anni ottanta, accompagnati dalla realizzazione di impianti
anaerobici per il trattamento dei reflui industriali in Sud Africa.
23
24 CAPITOLO 1. I BIOREATTORI A MEMBRANA
1.1 Descrizione del processo MBR
Ibioreattoriamembranaaccoppianounreattorebiologico,analogoaquello
in uso nei convenzionali impianti a fanghi attivi, ad una fase di separazione con-
dotta mediante filtrazione su membrana. A fronte di un unico flusso in ingresso,
le membrane si comportano come barriere selettive, permettendo il passaggio
dell‘acqua e dei composti di piccole dimensioni in esso presenti, e trattenen-
do i solidi di maggiori dimensioni (fiocchi di fango biologico, colonie batteriche
di piccole dimensioni, composti ad elevato peso molecolare) che costituiscono il
concentrato,mantenutonelsistemafinoalsuoallontanamentoattraversoopera-
zionidispurgo(Bonomo, 2008). InFigura1.1, loschema(a)prevedemembrane
collocate in un comparto distinto dal reattore biologico (MBR sommerso o ri-
circolato): il concentrato viene pertanto ricircolato nel reattore in analogia allo
schema in uso per gli impianti a fanghi attivi convenzionali. È inoltre possibile,
nel caso degli MBR sommersi, collocare le membrane all‘interno del comparto
biologico, eliminando il circuito di ricircolo (schema (b)).
Figura 1.1: Schema di un impianto MBR: (a) ricircolato, (b) sommerso
Entrambe le configurazioni richiedono lo sviluppo di sollecitazioni tangen-
1.1. DESCRIZIONE DEL PROCESSO MBR 25
ziali sulla superficie della membrana al fine di promuovere il flusso di permeato
econtenereilfouling.NegliMBRricircolati,l‘azionesullemembraneèdovuta
alpompaggiodellamiscelaaerataedall‘immissionediunospecificoflussod‘aria
alla base dei moduli; nella configurazione immersa essa è invece riconducibile
esclusivamente all‘aerazione nel reattore biologico. Negli MBR ricircolati, la
generazione della sollecitazione tangenziale comporta notevoli consumi energe-
tici; inoltre il fouling è più pronunciato a causa del maggiore flusso di permeato
in fase di esercizio (Bonomo, 2008). Il pompaggio della miscela aerata genera
sollecitazioni tangenziali che provocano la rottura dei fiocchi di fango, com-
portando una diminuzione della dimensione delle particelle e la diffusione dei
foulants (Wisniewski e Grasmick, 1998), con conseguente incremento della ve-
locità di sporcamento delle membrane. Gli svantaggi precedentemente elencati,
che tenderebbero a privilegiare la configurazione di MBR sommerso nelle appli-
cazioni a scala reale, sono nella realtà bilanciati dalla semplicità d‘installazione
nell‘upgradediimpiantiesistentiedallanotevolesemplificazionedelleoperazioni
di pulizia delle membrane proprie degli MBR ricircolati.
26 CAPITOLO 1. I BIOREATTORI A MEMBRANA
1.2 La classificazione delle membrane
Una membrana può essere vista come una barriera selettiva attraverso la
quale alcuni costituenti presenti nel liquido possono passare mentre altri ven-
gono trattenuti. Questa caratteristica costituisce la base per un processo di
separazione:
• inmolticasilemembraneoperanotrattenendogliinquinantisolididisciolti
epermettendoilpassaggiodell’acquachiarificata;
• in altri casi la membrana viene utilizzata per estrarre gli inquinanti dal
refluo permettendo il passaggio selettivo di specifici componenti disciolti
in acqua (come per es. nell’elettrodialisi).
La possibilità di realizzare processi di separazione è strettamente connessa
con le caratteristiche chimico-fisiche e meccaniche delle membrane disponibili.
La membrana, perché il processo di separazione sia tecnologicamente fattibile,
deve garantire:
• una buona resistenza meccanica;
• una elevata permeabilità;
• un adeguato grado di selettività nei confronti delle specie da separare;
• capacità di mantenere queste proprietà nel tempo senza deteriorarsi nel
normale esercizio o nei cicli di lavaggio.
Laresistenzacomplessivadiunamembranaèdirettamenteproporzionaleal
suo spessore. La permeabilità cresce naturalmente all’aumentare della densità
dei pori, questo implica che un materiale dotato di una notevole porosità sia
preferibile; infine la selettività sarà compromessa da un’ampia distribuzione
1.2. LA CLASSIFICAZIONE DELLE MEMBRANE 27
dell’apertura dei pori. Queste proprietà sono fra loro in contrasto, dal momento
che un alto grado di selettività è normalmente ottenibile solo usando membrane
dotate di pori molto piccoli e perciò aventi un grado di resistenza idraulica
piuttostoalta(bassapermeabilità). Èquindiragionevolepensarechelamigliore
struttura per una membrana consista in un sottile strato di materiale con un
limitato range della dimensione dei pori ed un’ampia superficie porosa.
Con riferimento alla porosità delle membrane utilizzate, i processi di fil-
trazione si distinguono in microfiltrazione (MF, 100-1000 nm), ultrafiltrazione
(UF, 5-100 nm), nanofiltrazione (NF, 1-5 nm), osmosi inversa (RO, 0,1-1 nm),
elettrodialisi (ED) ed elettrodeionizzazione.
Le membrane sono solitamente realizzate in materiale plastico, ceramica o
metallo. I polimeri più impiegati sono le cellulose, le poliammidi, il polisulfone
ed altri tra cui il poliacrilonitrile (PAN), il polivinilidene difluoruro (PVDF), il
polietilsulfone (PES), il polietilene (PE) e il polipropilene (PP).
Nella figura 1.2 sono illustrate le sostanze che i diversi processi di filtrazione
sono in grado di trattenere in funzione delle dimensioni.
Figura 1.2: Classificazione dei processi di filtrazione
28 CAPITOLO 1. I BIOREATTORI A MEMBRANA
1.2.1 Microfiltrazione (MF)
Lamicrofiltrazioneèunprocessoamembranaabassapressione(1-5bar)in
grado di rimuovere particelle nel range fra 0,1 e 10µm; le principali applicazioni
sonolaseparazionedeisolidisospesi,lariduzionedelcontenutodibatteriecome
pretrattamento per NF e RO. Dato che le dimensioni dei pori delle membrane
di MF sono relativamente grandi, maggiori pressioni aumenterebbero il fouling.
In tab. 1.1 sono riportati alcuni parametri tipici della MF.
PARAMETRI OPERATIVI VALORI
dimensione dei pori 0,1µm<MF<10µm
pressione operativa 1-5 bar
consumo di energia 0,4 kWh/m3
velocità di cross-flow 1-8 m/s
tipo di membrana polipropilene, acrilonitrile, nylon, PTFE
configurazione spirale, fibre cave, plate and frame
stadio del processo secondario/terziario (MBR)
recupero di prodotto 94-98%
EFFICIENZADIRIMOZIONE
TSS <1mg/L
coliformi fecali < 20 cfu/100mL
Tabella 1.1: parametri tipici del processo di microfiltrazione
IcampidiapplicazionedellaMFcomprendono:chiarificazionesecondaria,
trattamento terziario, processi biologici (MBR, MABR, EMBR), riutilizzo delle
acque, pretrattamento per NF e RO, trattamento del percolato, disinfezione.
1.2. LA CLASSIFICAZIONE DELLE MEMBRANE 29
1.2.2 Ultrafiltrazione (UF)
Le membrane di ultrafiltrazione sono usate per molte delle applicazioni già
viste per le membrane di MF. Alcune membrane di UF con pori di dimensioni
ridottepossonoessereusateperlarimozionedicompostidiscioltiadelevatopeso
molecolare come macromolecole (proteine, carboidrati, materiale colloidale) e
microrganismi (batteri e virus). In questo caso la pressione di transmembrana
èpiùalta(1-7bar).LemembranediUFnonsonoingradodirimuoveregli
zuccheri e i sali. In tab. 1.2 sono riportati alcuni parametri tipici della UF.
PARAMETRI OPERATIVI VALORI
dimensione dei pori 0,005µm<MF<0,1µm
pressione operativa 1-7 bar
consumo di energia 0,5-3 kWh/m3
velocità di cross-flow 1-8 m/s
tipo di membrana acetato di cellulosa, poliammidi aromatiche
configurazione spirale, fibre cave, plate and frame
stadio del processo secondario/terziario (MBR)
recupero di prodotto 70-80%
EFFICIENZADIRIMOZIONE
TSS <1mg/L
coliformi fecali < 20 cfu/100mL
Tabella 1.2: parametri tipici del processo di ultrafiltrazione
Tipiche applicazioni industriali dei processi di UF sono la produzione di
acque di raffreddamento e di acque di lavaggio di elevata qualità. Nel campo
della depurazione la UF è utilizzata per riutilizzo delle acque, trattamento del
percolato, disinfezione, irrigazione, processi biologici.