Caratteristiche chimico-fisiche e morfologiche del fango attivo di impianti MBR per la rimozione dei nutrienti

Caratteristiche chimico-fisiche e morfologiche del fango attivo di impianti MBR per la rimozione dei nutrienti 1 
Premessa 
La volontà di terminare i miei studi con un lavoro in grado di dar loro 
concretezza, mi ha spinto con grande volontà e perseveranza a realizzare una 
tesi fondata essenzialmente sull’attività sperimentale, che credo mi permetterà 
in un futuro, spero non lontano, di inserirmi più facilmente nel mondo del 
lavoro. La rappresentazione e l’interpretazione dei risultati sperimentali 
rappresentano la parte principale della mia tesi, da essi la mia formazione ha 
tratto dei vantaggi penso non quantificabili. 
L’attività di studio è stata realizzata interamente presso il Dipartimento di 
Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali dell’Università di Palermo. La 
ricerca eseguita nell’ambito della Tesi di Laurea ha previsto un periodo iniziale 
dedicato ad uno studio approfondito della letteratura esistente. 
L’approfondimento bibliografico è stato affiancato, successivamente, 
dall’attività sperimentale effettuata in pieno campo e in laboratorio. 
In particolare sono state osservate, in periodi differenti, due tipologie 
diverse di impianti MBR installati presso l’impianto di depurazione di Palermo 
(in località Acqua dei Corsari) e dissimili per configurazione e tipo di 
membrana utilizzata: il primo è stato realizzato con membrane piane (I periodo) 
e con schema di predenitrificazione; il secondo invece con membrane cave (II 
periodo) e con schema UCT. I due periodi d’investigazione sperimentale sono 
compresi: il primo tra settembre 2008 e novembre 2008; il secondo tra ottobre 
2009 e dicembre 2009. Bisogna precisare che si è avuta l’opportunità di seguire 
i suddetti due impianti in periodi diversi ma non si è avuta la possibilità di 
effettuare la sperimentazione nelle medesime condizioni operative in modo da 
poter effettivamente confrontare i due sistemi, in quanto gli stessi sono stati 
finalizzati al raggiungimento di obiettivi differenti e ben specifici. Lo studio, 
quindi, è stato affrontato analizzando i due sistemi in modo indipendente; 
solo alla fine si sono evidenziati affinità o aspetti accomunabili ai due 
impianti, o differenze palesemente riconducibili a condizioni di processo 
specifici. 
Il testo della tesi è composto da otto capitoli ed è suddiviso in quattro parti. 
2 Premessa 
Nella prima parte, composta dai primi tre capitoli, è riportata un’ampia 
letteratura scientifica mirata all’approfondimento dei processi e delle 
problematiche caratterizzanti il sistema MBR, con l’obiettivo appunto di 
individuare lo scenario in cui si è realizzata l’attività sperimentale. Nel Capitolo 
2, in particolare, sono illustrati gli aspetti caratterizzanti i reattori MBR 
attraverso l’analisi dettagliata delle caratteristiche peculiari delle membrane 
(classificazione, configurazione, materiali costruttivi, ecc.), dei processi di 
separazione (osmosi inversa, nano, micro o ultrafiltrazione) e del sistema MBR 
nel suo complesso (schemi di installazione, analisi dei fenomeni influenzanti il 
processo). Nel Capitolo 3, è fornito un quadro generale degli aspetti biologici 
del sistema, attraverso un’analisi dei fenomeni di crescita batterica e degli 
aspetti morfologici e microbiologici della biomassa. 
Nella seconda parte, composta dai Capitoli 4 e 5, vengono descritte le 
caratteristiche chimico-fisiche e morfologiche della biomassa negli impianti 
MBR, riportando inoltre studi e risultati ottenuti da vari autori che hanno 
osservato l’andamento delle suddette caratteristiche nel tempo e in diverse 
condizioni operative. Naturalmente si tratta di una parte importantissima della 
mia tesi, in quanto costituisce il fondamento dell’attività sperimentale svolta e 
dell’interpretazione dei risultati conseguiti. 
La terza parte rappresenta il cuore della tesi perché in essa sono riportati i 
dati e i risultati utili a descrivere l’intera sperimentazione eseguita. In 
particolare, nel Capitolo 6, è riportata la descrizione della campagna 
sperimentale e della caratteristiche costruttive dei due differenti impianti pilota; 
inoltre, sono descritte le metodologie utilizzate per le analisi di laboratorio e per 
le analisi microscopiche dei fiocchi del fango attivo. Nel Capitolo 7, vengono 
analizzati i risultati sperimentali ottenuti indipendentemente sui due impianti 
MBR, focalizzando l’attenzione sulle differenze e sulle affinità possibilmente 
esistenti tra le due tipologie di impianto, visto che un confronto vero e proprio 
non può essere effettuato a causa delle motivazioni descritte prima. 
Infine, la quarta parte, composta dal Capitolo 8, sono presentate, alla luce 
dei risultati dell’attività sperimentale, le conclusioni e le prospettive di sviluppo 
future della ricerca. 
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Capitolo 1 
Introduzione 
L’acqua è da sempre la risorsa fondamentale in grado di rendere possibile 
qualsiasi forma di vita sul nostro pianeta, in particolar modo capace di 
soddisfare i più svariati fabbisogni dell’uomo. 
Il principio assodato che l’acqua però è anche una risorsa finita e 
vulnerabile ha trovato conferma negli eventi che si sono susseguiti nel nostro 
Paese negli ultimi periodi: aumento dei deficit di soddisfacimento della 
domanda idrica, dovuto all’aumento dei fabbisogni ad uso potabile, considerato 
prioritario sia per problemi legati alla quantità che alla qualità della risorsa, e 
degli usi quali industriale, irriguo, paesaggistico, ecc…; impoverimento e 
inquinamento delle falde; aumento delle superfici impermeabili che fanno 
affluire nel sistema di drenaggio urbano elevati volumi di acqua con problemi 
relativi al dimensionamento dei collettori e al corretto funzionamento 
dell’impianto di depurazione; perdite e sprechi nelle reti di adduzione e di 
distribuzione. Le maggiori conoscenze degli effetti dell’inquinamento delle 
acque sulla salute umana e sull’ambiente, inoltre, ha condotto le leggi a fissare 
requisiti di qualità sempre più restrittivi. Di conseguenza il patrimonio idrico, 
già limitato sul piano quantitativo, diventa ancora più scarso sul piano 
qualitativo. 
A livello mondiale è ormai consolidato l’impegno per un uso “sostenibile” 
della risorsa “acqua” dal punto di vista ambientale e sociale. La necessità di 
proteggere le risorse idriche disponibili e di ottimizzarne la gestione è 
ampiamente recepita dalla legislazione vigente che stabilisce precise regole per 
la tutela delle acque dall’inquinamento e la disciplina degli scarichi. La 
depurazione delle acque reflue, mirata alla riduzione dell’inquinamento in 
termini di sostanza organica, di solidi sospesi, di sostanze minerali fitotropiche 
(ad esempio azoto e fosforo) o tossiche (metalli pesanti), nonché di virus e 
microrganismi patogeni, è quindi, ormai, un obbligo certo. 
4 Capitolo 1 - Introduzione 
Il problema della depurazione dalle acque di scarico rappresenta quindi una 
priorità in seguito alla riduzione delle risorse idriche determinate, in maniera 
rilevante, dal consumo eccessivo da parte dell’uomo. Si pensi che 
complessivamente la domanda, soprattutto a carico dell’agricoltura e 
dell’industria, è triplicata dal 1950 ad oggi e si prevede che la domanda attuale 
raddoppi entro il 2050. 
Nell’ultimo ventennio numerose sono state le occasioni di incontro e 
discussione tra le principali organizzazioni internazionali che hanno sottolineato 
l’importanza vitale dell’acqua per il futuro dell’umanità. La prima importante 
che possiamo citare è la Conferenza Internazionale di Dublino del 1992, che ha 
stabilito alcuni principi fondamentali tra i quali quello che lo sviluppo e la 
gestione della risorsa acqua dovrebbero essere basati su un approccio 
partecipativo che coinvolga gli utilizzatori, i pianificatori e i politici; e quello 
che l’acqua ha un valore economico in tutti i suoi possibili usi e dovrebbe essere 
considerata a tutti gli effetti un bene economico. Più recentemente il vertice 
mondiale di Johannesburg ha considerato l’acqua una risorsa vitale per lo 
sviluppo sostenibile del nostro pianeta e i governi, che ad esso hanno 
partecipato, hanno assunto l’impegno di dimezzare entro il 2015 il numero di 
abitanti del pianeta che non hanno accesso all’acqua potabile sicura, e il numero 
di coloro che non hanno accesso ai servizi sanitari di base. Il 2003 è stato 
proclamato dalle Nazioni Unite “Anno Internazionale dell’Acqua”, con lo scopo 
principale di focalizzare ulteriormente l’attenzione mondiale sull’importanza 
cruciale della risorsa e promuovere le iniziative per una migliore gestione e 
protezione della stessa. Tra gli eventi principali celebrati nell’anno vi è stato il 
terzo forum mondiale sull’acqua, che si è tenuto a Kyoto dal 16 al 23 marzo, nel 
corso del quale, i ministri e capi di governo riuniti in assemblea hanno 
concordato una dichiarazione che sintetizza gli impegni presi per un uso 
sostenibile della risorsa dal punto di vista ambientale e sociale. Tra di essi anche 
l’impegno per una attenta politica di uso dell’acqua che preveda l’adozione di 
misure di contenimento delle perdite e dei consumi e la promozione di nuove 
tecnologie, quali la dissalazione e il riutilizzo, che rendano disponibili risorse 
non-convenzionali. 
Nel corso del 2002 e del 2003 in Europa e in Italia si sono succeduti una 
serie di avvenimenti naturali che hanno ulteriormente richiamato l’attenzione 
dell’opinione pubblica sull’importanza di una corretta gestione della risorsa 
acqua. Nell’estate del 2002 l’emergenza idrica nelle regioni del sud Italia ha 
raggiunto livelli particolarmente gravi. Nella torrida estate del 2003 la calura e 
la siccità hanno creato gravi difficoltà soprattutto alle regioni del centro-nord 
Italia dove i fiumi hanno registrato secche storiche e l’agricoltura ha subito 
danni gravissimi. 
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Questi avvenimenti hanno mostrato che vaste zone del nostro Paese sono 
potenzialmente soggette a crisi idriche e quindi hanno evidenziato la necessità 
di adottare misure che a breve termine consentano di ottimizzare la disponibilità 
delle risorse idriche. I principali e più recenti provvedimenti legislativi che si 
sono succeduti nel nostro Paese, anche in recepimento di direttive comunitarie, 
sono: 
 La legge 183/89 “Norme per il riassetto organizzativo e funzionale della 
difesa del suolo”; 
 La legge 36/94 “Disposizioni in materia di risorse idriche” (c.d. Legge 
Galli); 
 Il D. Lgs. 152/99 “Disposizioni sulla tutela delle acque 
dall’inquinamento e recepimento della Direttiva 91/271/CEE 
concernente il trattamento delle acque reflue urbane e della Direttiva 
91/676/CEE relativa alla protezione delle acque dall’inquinamneto 
provocato dai nitrati provenienti da fonti agricole”, modificato e 
integrato prima dal D. Lgs. 258/2000 e poi dal D. Lgs. 152/2006: 
 Il D.Lgs. 185/2003 “Norme tecniche per il riutilizzo delle acque reflue 
ai fini della tutela qualitativa e quantitativa delle risorse idriche”, 
aggiornato dal recente D.M. Ambiente 02/05/2006; 
 Il D.Lgs. 152/2006 “Norme in materia ambientale”, con l’obiettivo di 
unificare tutte le disposizioni precedenti in materia ambientale. 
Con le nuove prescrizioni del suddetto D. Lgs. 152/06, l’imposizione di 
limiti molto più restrittivi per lo scarico delle acque reflue depurate nei corpi 
idrici ricettori e l’invito a ricorrere al recupero e al riuso delle stesse, 
comportano la necessità di migliorare le rese depurative degli impianti di 
depurazione municipali. Pertanto oggi è necessario implementare processi di 
rimozione biologica più spinti e completi; ciò porta tuttavia a scontrarsi con una 
realtà complessa, che incontra sempre maggiori difficoltà nel momento in cui si 
decida o di realizzare un nuovo impianto di depurazione o si preveda di 
ampliare quelli già esistenti. La progressiva urbanizzazione, il crescente costo 
delle aree occupate e le implicazioni di natura socio-economica rendono questo 
problema di grande attualità. D’altronde, la considerevole domanda di 
superficie necessaria per gli impianti che fanno riferimento ai tradizionali 
processi a fanghi attivi, aumenta ulteriormente laddove sia richiesta un’elevata 
efficienza di rimozione degli inquinanti ( per la necessità di prevedere unità di 
maggiori dimensioni e notevoli trattamenti di affinamento. 
6 Capitolo 1 - Introduzione 
Tali ragioni giustificano così il sempre crescente interesse del mondo 
scientifico e tecnologico verso processi di depurazione innovativi che, a fronte 
di più elevate efficienze di rimozione, siano in grado di offrire consistenti 
risparmi in termini di ingombro planimetrico e volumetrico. In tal senso la 
tecnologia che più di ogni altra permette di soddisfare i requisiti sopra indicati è 
quella dei Bioreattori a Membrana (MBR - Membrane Biological Reactor). 
L’idea di fondo consiste nell’eliminare lo stadio di sedimentazione, a 
favore di una fase di filtrazione. Il vantaggio di questa tecnologia è quello di 
produrre un refluo qualitativamente superiore rispetto a quello ottenuto con le 
tecnologie tradizionali, di rendere possibile un retrofit di un impianto esistente e 
di occupare molto meno spazio dei sistemi tradizionali. La tecnologia “MBR” 
consiste nella rimozione del materiale biodegradabile dalle acque reflue 
mediante ultrafiltrazione su membrane denominate “low pressure 
microfiltration”. A differenza dei sistemi a fanghi attivi l’efficienza della 
depurazione non è più dipendente dall’efficienza del sedimentatore che deve 
garantire la separazione del fango dall’acqua depurata a valle dei reattori 
biologici. Il processo non richiede stadi di sedimentazione primaria né 
secondaria e nessun trattamento terziario o di sterilizzazione del permeato. Un 
reattore MBR richiede un tempo di ritenzione idrica dell’ordine di 7.5 – 8 ore ed 
assicura una età media del fango di 15 giorni. La tecnologia MBR presenta 
dunque importanti vantaggi rispetto alle tecnologie standard: 
1. Bassa sensibilità alle variazioni dell’alimentazione: ingresso di sostanze 
tossiche o un improvviso aumento del carico idraulico od organico o di 
pH. 
2. Controllo dell’età del fango: lo spurgo del fango viene controllato e 
regolato quindi l’età del fango può essere esattamente controllata. 
3. Riduzione della produzione di fango: la produzione di fango è 
notevolmente ridotta in quanto le sostanze organiche vengono 
ricircolate nel bioreattore e trattenute per lungo tempo in modo che le 
popolazioni batteriche hanno maggior tempo per completare il processo 
di degradazione biologica; questo offre estremi vantaggi per il 
dimensionamento della sezione di ispessimento e disidratazione del 
fango e quindi con una notevole diminuzione dei costi di smaltimento. 
4. Miglioramento della qualità dell’effluente: “teoricamente” nessun 
solido sospeso attraversa le membrane, non si ha, di conseguenza, 
trascinamento di fango nell’effluente e quindi vengono più facilmente 
raggiunti i valori richiesti dal D.Lgs. 152/06 rispetto ai processi 
tradizionali. 
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5. Limitazione degli ingombri: lo spazio richiesto è inferiore a quello di 
un impianto tradizionale poiché non è più necessaria l’installazione di 
un bacino di sedimentazione. 
6. Riciclo dell’effluente: come già accennato, la qualità dell’effluente è 
sicuramente ottimale e non richiede né sterilizzazione mediante UV né 
clorazione. Questo permette il riutilizzo dell’effluente per gli scopi 
previsti dal D.M. 185/03. 
7. Up-grading di impianti esistenti: possibilità di potenziare impianti 
esistenti senza realizzare nuove volumetrie, ma semplicemente 
installando dei moduli a membrana, intervenendo così in spazie tempi 
ridotti. 
Figura 1.1 Schema di funzionamento tipico di un impianto con trattamento MBR. 
Tuttavia a fronte dei vantaggi citati precedentemente, ancora oggi 
rimangono incertezze relativamente ad alcuni aspetti non sufficientemente 
approfonditi a causa della rapidità con cui questa tecnologia sta sviluppandosi. 
La principale limitazione operativa alla diffusione estesa dei processi MBR è 
indubbiamente rappresentata dalla tendenza delle membrane a sporcarsi, 
riducendo progressivamente la propria permeabilità; il verificarsi dei fenomeni 
di sporcamento (fouling) durante l’esercizio degli impianti MBR impone, 
infatti, l’esigenza di applicare specifici protocolli di lavaggio chimico che, se 
eseguiti troppo di frequente, contribuiscono a diminuire la vita utile dei moduli 
stessi. Poiché la voce di costo rappresentata dall’acquisto dei moduli filtranti e 
della loro periodica sostituzione costituisce uno dei maggiori limiti dell’utilizzo 
delle membrane nel campo della depurazione dei reflui, risulta indubbiamente 
8 Capitolo 1 - Introduzione 
necessario finalizzare parte delle future ricerche scientifiche allo studio delle 
cause che portano al fouling. 
In questo contesto è stato individuato l’obiettivo dello studio sperimentale 
realizzato e descritto in questa tesi. Dalla lettura di una vasta bibliografia si è 
potuto constatare che le caratteristiche della biomassa sviluppatasi all’interno di 
un reattore biologico provocano effetti non poco rilevanti sulla formazione del 
fouling (vedi parag. 4.5 e 5.4) 
Lo scopo della sperimentazione svolta nel corso della tesi è stato quindi 
quello di analizzare uno degli aspetti più interessanti del processo MBR, che si 
rivela assai importante nella sua gestione e nell’ampliamento delle conoscenze 
scientifiche: la caratterizzazione del fango attivo aerobico sia dal punto di vista 
chimico-fisico che dal punto di vista morfologico. A tal fine sono state valutate 
le concentrazioni dei solidi sospesi totali, degli EPS e degli SMP, la viscosità, 
l’idrofobicità e la dimensione dei fiocchi del fango attivo; tutti questi fattori 
vengono considerati parametri fondamentali nell’evoluzione del grado di 
sporcamento delle membrane, in relazione al reale stato fisiologico del fango 
attivo che rimane, ad oggi, un argomento alquanto discusso. 
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Capitolo 2 
Le tecnologie MBR nella 
depurazione delle acque reflue 
I processi a membrana, nell'impiantistica moderna, trovano applicazione 
nel potenziamento degli impianti di depurazione a fanghi attivi. In Italia, in 
Europa e, soprattutto, nel mondo, gli impianti MBR sono già stati realizzati, 
soprattutto in quelle attività che richiedono acqua con caratteristiche qualitative 
particolarmente elevate. 
La maggior parte di queste realizzazioni sono up-grading di impianti 
esistenti a fanghi attivi. Numerosi sono gli schemi di impianto proposti 
configurati per la rimozione sia del carbonio che dei nutrienti (azoto e fosforo). 
Inoltre, i bioreattori a membrana possono adottare moduli di differenti 
configurazione e porosità nominali nel campo dell'ultrafiltrazione o della 
microfiltrazione. 
2.1 La depurazione delle acque reflue civili con i sistemi 
MBR 
In generale, le acque di scarico urbane ed industriali sono il risultato delle 
diverse attività sociali, produttive e ricreative realizzate dall’uomo per il proprio 
sostentamento e benessere. Poiché esse contengono i residui delle numerose 
sostanze utilizzate dall’uomo e i residui del metabolismo umano ed animale, per 
poter essere restituiti all'ambiente, devono necessariamente essere sottoposte ad 
un trattamento depurativo. 
Le acque reflue, che in passato contenevano quasi esclusivamente sostanze 
biodegradabili, presentano attualmente maggiori problemi di smaltimento a 
causa della presenza sempre più ampia di composti chimici di origine sintetica, 
impiegati prevalentemente nel settore industriale. 
10 Capitolo 2 – Le tecnologie MBR nella depurazione delle acque reflue 
I corpi idrici recettori, quali il mare, i fiumi ed i laghi, non sono in grado di 
ricevere una quantità di sostanze inquinanti superiore alla propria capacità 
autodepurativa senza compromettere la qualità delle acque ed i normali equilibri 
dell'ecosistema. E' evidente quindi la necessità di depurare le acque reflue 
attraverso l’applicazione di tipologie di trattamento appropriato al tipo di 
inquinante. Perciò, i reflui urbani e quelli industriali vengono trattati 
separatamente date le diverse origine e composizione. Il trattamento di un refluo 
è tanto più spinto quanto più il contenuto di inquinanti è alto ed i corpi idrici 
recettori (mari, fiumi, laghi, etc.) risultano a rischio di inquinamento cronico. 
Lo schema di un impianto convenzionale di depurazione di reflui civili 
prevede diverse fasi di trattamento di seguito indicati (Figura 2.1): 
• Trattamenti preliminari: hanno lo scopo di separare dal liquame le 
sostanze solide estranee in grado di creare problemi agli impianti di 
depurazione (detriti, rifiuti solidi, oli, sabbie) attraverso griglie 
grossolane e fini, dissabbiatori e disoleatori. 
• Trattamenti primari: hanno l'obiettivo di rimuovere gli SST (solidi 
sospesi totali) prevalentemente di natura organica, presenti nel liquame 
influente. Il processo può essere agevolato attraverso l'impiego di 
particolari sostanze flocculanti che aumentano il grado di aggregazione 
delle particelle e quindi la loro sedimentabilità. 
• Trattamenti secondari: sono finalizzati all'abbattimento della sostanza 
organica biodegradabile e alla rimozione dei solidi in forma colloidale, 
non sedimentabili e, quindi, non separabili con trattamenti di tipo fisico. 
• Trattamenti terziari: hanno lo scopo di perfezionare la depurazione 
riducendo il carico di elementi nutrienti (fosforo e azoto) presenti 
nell'effluente secondario. In certi casi, il trattamento terziario elimina 
sostanze poco biodegradabili che non sono state eliminate attraverso il 
metabolismo batterico. 
• Disinfezione: è essenziale per l'abbattimento della carica microbica 
dell'acqua in uscita dall'impianto, riducendola a valori di concentrazione 
residua accettabili dal punto di vista sanitario e ambientale; in modo 
quindi da garantire il raggiungimento degli obiettivi di qualità 
ambientali o gli usi in atto del corpo idrico recettore. 
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Figura 2.1 Schema di impianto convenzionale a fanghi attivi (Gugliemi 2002). 
Il sistema tecnologico che negli ultimi decenni è stato più diffuso e 
utilizzato è quello a fanghi attivi o a biomassa sospesa. L’ampia diffusione è 
stata legata all’efficienza ed economicità di questo sistema rispetto ad altre 
tipologie conosciute, pur essendo caratterizzato da aspetti critici che rendono 
preferibili, oggi, nuove tecnologie cosiddette “avanzate” e tra queste i sistemi 
MBR, ossia i Bioreattori a Membrana, rappresentano oggi una realtà più che 
consolidata. 
I sistemi MBR, in particolare, nascono dall’accoppiamento delle membrane 
ai tradizionali processi a fanghi attivi. Ma dei reattori biologici a membrana si 
avrà modo di parlare nel paragrafo 2.3, si descriveranno invece ora le 
componenti fondamentali degli MBR: le membrane. 
2.2 Le membrane 
Una membrana (Figura 2.2), nel campo dei processi di filtrazione, può 
essere definita come una “fase”, di solito eterogenea, che agisce da barriera 
selettiva nei confronti di specie ioniche o molecolari presenti in sistemi liquidi o 
gassosi a contatto con la sua superficie. 
Più precisamente, i trattamenti a membrana sono processi fisici di 
separazione di una o più sostanze da una corrente fluida, chiamata “alimento”. 
Dal punto di vista strutturale le membrane applicate al trattamento delle acque 
reflue permettono il passaggio di alcune componenti fisiche e chimiche presenti 
nella miscela, a differenza di altri che sono invece trattenuti nel bulk fluido. In 
questi termini la membrana rappresenta, quindi, una barriera perm-selettiva, la 
cui permeabilità è relazionata ai composti che possono attraversarla 
(costituendo il permeato, caratterizzato da una concentrazione delle sostanze da 
separare minore di quella dell’alimento) o a quelli da essa trattenuti (da cui il 
12 Capitolo 2 – Le tecnologie MBR nella depurazione delle acque reflue 
retentato o concentrato, caratterizzato da una concentrazione delle sostanze da 
separare maggiore di quella dell’alimento). 
Figura 2.2 Schematizzazione di una membrana. 
Le membrane intese come barriere perm-selettive estendono il concetto 
della mera separazione solido-liquido di un normale processo di filtrazione, in 
quanto agiscono non solo sui solidi sospesi ma anche sui colloidi e su una 
frazione della componente disciolta sfruttando le ridotte dimensioni dei loro 
pori. In Figura 2.3 viene schematizzato il processo di filtrazione: 
Figura 2.3 Descrizione del bilancio del processo a membrana (Antonelli et al., 
2000). 
La struttura delle membrane può essere molto differente a seconda del tipo 
di filtrazione che viene adottata. In generale le membrane devono avere una 
buona resistenza meccanica sia per le tipologie di processo nelle quali verranno 
utilizzate, sia per i gradienti di pressione a cui verranno sottoposte. 
Caratteristiche chimico-fisiche e morfologiche del fango attivo di impianti MBR per la rimozione dei nutrienti 13 
Tale resistenza è direttamente proporzionale allo spessore della membrana 
stessa: maggiore sarà però lo spessore e minore sarà il flusso di permeato che 
passerà attraverso la membrana. Inoltre per trattenere anche le particelle più fini 
la dimensione dei pori dovrà essere molto piccola, il che comporta un flusso 
minore. Si tende a realizzare quindi delle membrane con dimensioni di pori 
piccole ma con alta porosità in modo da garantire una buona filtrazione. 
2.2.1 Classificazione delle membrane 
Le membrane possono essere classificate in base a vari parametri: 
geometria, caratteristiche fisiche, meccanismo di separazione, ecc. a seconda 
dell’interesse preciso in questa tecnologia. In commercio, quindi, esistono 
diverse classificazioni a cui si può far riferimento per individuare le membrane: 
 in base al tipo di forza motrice che permette al permeato di attraversare 
la superficie filtrante, che può essere dovuta o ad un gradiente di 
pressione, o ad un gradiente di concentrazione (dialisi), o ad un 
potenziale chimico (osmosi) o ad un potenziale elettrico (elettrodialisi); 
 in base alla porosità effettiva che rappresenta la capacità di 
trattenimento caratteristica (tramite prove porometriche si cerca di 
determinare in termini statistici la dimensione caratteristica dei pori 
medi delle membrane); 
 in base al tipo di materiale che le costituiscono; 
 in base alla struttura con cui sono realizzate; 
 in base al peso molecolare dei composti trattenuti, detto anche taglio 
molecolare (MWCO, Molecolar Weight Cut Off), connesso alle 
dimensione molecolari del soluto trattenuto e funzione delle 
caratteristiche chimico-fisico delle membrane. 
 Forza motrice 
I processi a membrana tradizionali possono essere suddivisi essenzialmente 
in due categorie a seconda della forza motrice che rende possibile il trasporto 
dell’acqua e il processo di separazione: nel caso di membrane scariche perm-
selettive e semi-selettive, a maglie con diametro decrescente, la forza motrice è 
rappresentata dalla “pressione” applicata tra le due superfici della membrana 
stessa. I processi che utilizzano tali membrane si differenziano per il tipo di 
membrana impiegata e per il campo di pressione al quale lavorano; tra essi 
distinguiamo i processi di microfiltrazione, ultrafiltrazione, nano filtrazione e 
osmosi inversa. 
14 Capitolo 2 – Le tecnologie MBR nella depurazione delle acque reflue 
Nella Tabella 2.1 si riporta una classificazione dei processi di filtrazione in 
funzione della pressione e della porosità: in generale risulta che la diminuzione 
della porosità delle membrane permette la rimozione di particelle sempre più 
piccole, ma richiede pressioni sempre maggiori. 
PROCESSO POROSITA’ PRESSIONI SOSTANZE MWCO 
NOMINALE DI RIMOSSE (DALTON) 
(Å) ESERCIZIO 
(BAR) 
Microfiltrazione 100 ÷ 200 0.3 ÷ 3.5 Particelle - 
sospese, batteri 
Ultrafiltrazione 20 ÷ 200 1.5 ÷ 7.0 Batteri, virus, 500 ÷ 100.000 
proteine 
Nanofiltrazione 10 ÷ 20 5.0 ÷ 13.8 Ioni divalenti 500 
Osmosi inversa 1 ÷ 10 15 ÷ 70 Ioni 100 ÷ 200 
Tabella 2.1 Classificazione dei processi di filtrazione in base alla pressione e alla 
dimensione dei pori. 
La seconda categoria è composta da membrane cariche su cui non ci si 
sofferma, in quanto non applicate nella depurazione, e si rimanda alla letteratura 
scientifica per l’approfondimento (Andreottola et al., 2003). 
 Porosità effettiva 
Il grado di selettività e filtrazione dipende dalla dimensione specifiche dei 
pori della membrana. La porosità si muove in ampio raggio da dimensioni di 0,1 
nm fino a dimensioni di 50 micron. La selezione secondo porosità, raffigurata in 
Figura 2.4, comprende in ordine, da porosità maggiore a porosità minore, la 
microfiltrazione che permette di intercettare batteri fino al 40 micron, 
l’ultrafiltrazione che permette di separare proteine, carboidrati e virus, la 
nanofiltrazione per molecole organiche di piccola entità come zuccheri e sali 
disciolti ed infine l’osmosi inversa la quale permette di intercettare gli atomi 
liberi disciolti. 
In generale, in base alla loro porosità le membrane possono essere divise in 
dense o porose (Andreottola et al., 2003). Vengono inoltre definite due nuove 
misure: il diametro nominale e il massimo diametro equivalente. Il diametro 
nominale è la dimensione della particella o molecola al di sopra della quale è 
trattenuta una certa percentuale di soluto, che è stimata secondo metodi statistici 
che portano alla curva di distribuzione delle dimensioni dei pori. 
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Il massimo diametro equivalente dei pori è quello per cui tutte le particelle 
aventi dimensioni superiori a tale diametro non possono attraversare la 
membrana, almeno fino ad un determinato valore di concentrazione 
nell’alimento 
Figura 2.4 Classificazione delle membrane basata sul grado di selettività (diametro 
o peso molecolare) delle sostanze rimosse. 
 Materiale 
Da materiale di tipo inorganico plastico si arriva anche a nuove e 
sperimentali proposte di strutture caratterizzate da particolari materiali organici 
non ultima la costruzione possibile con membrane derivanti da scarti di gusci di 
crostacei e comunque anche di natura organica come fibre speciali di materiale 
cellulosico. Comunemente, in base al materiale con cui sono realizzate, le 
membrane possono essere classificate in: organiche o inorganiche; naturali o 
sintetiche; solide o liquide. 
 Struttura 
La struttura delle membrane può essere (Figura 2.5): simmetrica, in questo 
caso si hanno membrane isotrope; asimmetrica, in questo caso si hanno 
membrane anisotrope, composita. Le prime sono in genere le membrane non 
porose e tutte le membrane porose che hanno il diametro dei pori costante nella 
sezione. Le seconde hanno invece una densità asimmetrica nella direzione del 
flusso del permeato: la dimensione dei pori è quindi variabile nello spessore.