I bioreattori a
membrane
Claudio Lubello
Dipartimento Ingegneria Civile
Filtrazione su Membrana
Separazione fisica di solidi sospesi, colloidali o disciolti da un
mezzo liquido o gassoso.
Membrana
Forza motrice:
PRESSIONE
POTENZIALE ELETTRICO
TEMPERATURA
GRADIENTE DI
CONCENTRAZIONE
COMBINAZIONE DI
DIVERSE FORZE MOTRICI
Alimento
Concentrato
QA, CA, PA
QC, CC, PC
Flusso permeato
J=
Fattore di recupero
QP
Permeato
A
QP, CP, PP
RR =
A = area filtrante
Reiezione del soluto
SR =
CA- Cp
CA
 100
Qp
QA
 100
Flusso di permeato
J=
TMP   k  
Rm
Dove TMP è la differenza di pressione attraverso la membrana (pressione
di transmembrana),  è la viscosità assoluta dell’acqua, Rm è la resistenza
idraulica della membrana pulita (inversamente proporzionale alla
permeabilità idraulica della membrana e direttamente proporzionale allo
spessore x della membrana), k è una costante empirica e  è la
contropressione dovuta al fenomeno osmotico.
Solidi
sospesi
Batteri
MICROFILTRAZIONE
Emulsioni
Macromolecole
ULTRAFILTRAZIONE
Colloidi
Virus
Proteine
NANOFILTRAZIONE
Composti
basso P.M.
ioni
OSMOSI INVERSA
La più importante classificazione delle membrane è basata sul
grado di selettività (diametro o peso molecolare) delle
sostanze rimosse
Effetto su alcuni parametri
Parametro
MF
UF
NF
RO
X
X
X
Durezza
X
X
Metalli
X
X
Nitrati
X
X
X
X
Composti organici di sintesi
X
X
TDS
X
X
BOD
Inquinanti organici
X
TSS
X
X
Batteri
X
X
X
X
Protozoi e uova di elminti
X
X
X
X
X
X
Virus
Bioreattore a Membrana (MBR)
IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI
Unità di filtrazione
Reattore biologico
Sedimentatore
secondario
PERMEATO
La biomassa è separata dall’acqua trattata
grazie all’unità di filtrazione costituita dalle
membrane
I solidi ed i microrganismi sono separati
dall’acqua trattata all’interno del sedimentatore
secondario
Configurazioni di MBR
1) Side-stream
Il modulo a membrane è
esterno al bioreattore (vasca
di ossidazione): la miscela
aerata è pertanto fatta
circolare nel modulo esterno
con un ricircolo del retentato
(più concentrato) verso il
bioreattore.
Q
Qr
Q+Qr
Q
Bioreattore
UF/MF
Configurazioni di MBR
2) Membrane
sommerse
a) La separazione avviene
all’interno dello stesso
bioreattore, senza
necessità di ricircolo
b) La separazione
avviene in un
contenitore posto ad
quota superiore
rispetto al bioreattore
(solitamente proprio
sopra).
Il ricircolo dei fanghi
avviene per gravità.
Q
UF/MF
Q
Bioreattore
Influent
Q
Riciclo dei fanghi
Qr
Permeato
Q
Bioreattore
Q+Qr
Membrane
tank
1989
[Yamamoto]
2005
[Zenon , Kubota et al.]
•
• Oltre 1000 MBR nel mondo per un volume complessivo
prodotto > 60 ML/d
~90% con membrane sommerse
Direzione del flusso e meccanismi di fouling
Dead-end
Alta velocità
di accumulo
Flusso
alimento
Veloce
diminuzione
di flusso
Bassi consumi
energetici
Spessore cake
Flusso permeato
tempo
Flusso permeato
Cross-flow
Flusso alimento
Minore
accumulo
Flusso permeato
Diminuzione di
flusso più lenta
Spessore cake
Alti consumi energetici per il
ricircolo
Flusso permeato
tempo
La pressione di transmembrana
Indicata con p o TMP è la forza motrice che determina il moto di
filtrazione attraverso la membrana.
Nel caso di filtrazione cross-flow:
 Pf  Pc 
  Pp
TMP = 
 2 
In cui:
Pf = pressione del flusso di
alimento
Nel caso di filtrazione dead-end:
TMP = Pf  Pp
Pc = pressione del flusso di
concentrato
Pp = pressione del flusso di
permeato
Andamento del flusso di permeato
In presenza di materiali disciolti e/o
colloidali, l’aumento del flusso di
permeato risulta essere in un primo
momento lineare con l’incremento
di
pressione
transmembrana
(“regione
controllata
dalla
pressione”).
Oltre
un
certo
valore
della
pressione, gli incrementi di flusso
diminuiscono sempre di più ad ogni
aumento di pressione finché non si
arriva ad un valore pressoché
costante del flusso (steady state),
indipendente
dalla
pressione
(“regione
controllata
dal
trasferimento di massa”).
Geometria e configurazione dei moduli
• A SPIRALE AVVOLTA (spiral wound): Due membrane vengono incollate su tre lati; il quarto lato
viene lasciato aperto e collegato al tubo di raccolta del retentato. Viene utilizzata per NF, OI e UF.
•Vantaggi: elevati rapporti sup/vol (800-1000 m2/m3) e massima compattezza.
•Svantaggi: rapido intasamento (per le basse velocità tangenziali e dimensioni ridotte dei
passaggi).
• A FIBRE CAVE (hollow fibre):Sono tubi capillari costituiti da una guaina di supporto ad elevata
porosità sulla quale è appoggiata la membrana vera e propria ( = 40m). Rapporto
sup/vol tra
1000 e 10000 m2/m3.
• TUBOLARI (tubular): La membrana è appoggiata sulla parete interna di un tubo poroso, utilizzate
per MF e UF.
•Vantaggi: elevate velocità di filtrazione (utilizzati per flussi carichi di SS).
• AD UNITA’ PIANE CON SUPPORTO (plate and frame): Le membrane vengono appoggiate su
supporti piani frapposte da una rete spaziatrice per permettere il deflusso del permeato. Rapporti
sup/vol 100-400 m2/m3
Spirale avvolta
Tubo di raccolta del permeato
Anti telescoping
devices
Concentrato
Alimento
Permeato
Concentrato
Alimento
Alimento
attraverso rete
spaziatrice
Spaziatore
raccolta
permeato
Rete
spaziatrice
Membrana
Spaziatore
Membrana
Rete
spaziatrice
Spirale avvolta
Tubolari
grezza
retentato
permeato
La membrana viene fissata all’interno di un tubo poroso, il
fluido permea dall’interno verso l’esterno e viene raccolto da
un mantello che, nel caso di membrane inorganiche è
costituito da un materiale poroso che fa da supporto a molti
tubi. I campi di applicazione di questi moduli sono molto vari,
sono usati soprattutto per fluidi carichi di solidi sospesi
potendo mantenere velocità all’interno dei tubi molto alte.
Fibra cava
Filtrazione del permeato
Controlavaggio
La filtrazione avviene grazie al gradiente di
pressione
si crea fra l’interno
Si effettuache
un controlavaggio
con e
unl’esterno
flusso di
della
cava in
con
la pompa
di filtrazione
aria
o fibra
permeato
direzione
opposta
a quella
di filtrazione per ridurre problemi di fouling
Il permeato viene convogliato all’interno della
fibra e raccolto in testa al modulo
AriaPermeato
Permeato
Parametri operativi
• Concentrazione dell’alimento
• TMP
• Turbolenza
vicino
alla
superficie
della
membrana, ottenuta tramite sforzi di taglio
indotti dalla velocità tangenziale o tramite
promotori di turbolenza all’interno del sistema
• Temperatura
Confronto fra le due soluzioni
1) Side-stream:
•
•
•
•
•
•
Filtrazione Cross-flow (in-out)
Membrane tubolari o “plate and frame”
Elevato tasso di ricircolo (r = 25-50)
Elevato costo energetico (6-8 kWh/m3)
Elevata TMP e flusso specifico (P =1-5 bar, J = 50-120 L/(h m2))
Controllo del Fouling attraverso un’elevata velocità nei moduli (v = 2-5 m/s)
2) Membrane sommerse:
•
•
•
•
•
•
Filtrazione Dead-end (out-in)
Fibre cave (preferenzialmente) e “plate and frame”
Assenza del ricircolo di miscela aerata
Basso costo energetico (0.003-0.02 kWh/m3)
Bassa TMP e flusso di permeato (P =0.1-0.6 bar, J = 10-20 L/(h m2))
Controllo del Fouling con immissione di bolle d’aria sulla superficie delle
membrane (air-lift)
MBR, principali vantaggi
• Concentrazione della biomassa molto maggiore rispetto a sistemi
tradizionali (10-30 g/l of MLSS).
• In questo modo è possibile ottenere, a parità di altri parametri,
elevate età del fango e quindi bassa produzione di fango.
• L’età del fango è molto alta ( > 30 d ), ciò consente la crescita
di microrganismi a tasso di crescita molto basso all’interno del
bioreattore.
 Il valore massimo di
concentrazione del fango
può essere calcolato nelle
ipotesi di SRT tendente
all’infinito.
YSX max  Sin  Sout 
SRT
X=
1  SRT  K d 
HRT
for SRT  
X max
YSX max  Sin  Sout 

HRT  K d
Problemi…
• Se la concentrazione di solidi sospesi nella miscela aerata aumenta
decresce il flusso specifico di permeato:
J (l / m 2 / h)
LP =
=  aLog MLSS   b
TMP (bar )
• In particolare nei sistemi side-stream l’aumento di viscosità dovuta
alla concentrazione del fango può incrementare le perdite di carico
idraulico e quindi le spese energetiche;
• L’incremento della concentrazione porta ad un incremento del
consumo di ossigeno con più basse rese di trasferimento;
• La diminuzione della temperatura comporta una consistente
diminuzione del flusso;
• Sono presenti talvolta fenomeni di formazione di schiume.
Qualità dell’effluente di acque reflue civili
•
Efficienze di rimozione comprese fra il 90% ed il 97%.
• L’effluente in termini di COD è sempre < 40 mg/l. Il
miglioramento delle performance rispetto ad un impianto
tradizionale sono dovute anche alla rimozione dei solidi
sospesi dpvuta alle membrane ( 99.9 % di SST).
• Ad età del fango superiori a 5 giorni si ha sempre
completa nitrificazione. Si ricordi che nel caso di un MBR
HRT ed SRT sono completamente indipendenti.
Qualità dell’effluente di scarichi industriali
•Gli scarichi industriali tipici trattati da impianti MBR riguardano:
alimentari, tessili, caseari, da cotonifici, conciari, da fabbriche di
birra, petroliferi, chimici, farmaceutici, percolati di discarica.
• In letteratura sono indicate efficienze di rimozione comprese fra
90 e 98%.
• Le età del fango variano fra 6 e 300 giorni.
• In alcuni casi può essere opportuno in fase di avvio diluire lo
scarico per evitare l’inibizione dei nitrificanti.
•Ottimi risultati sono stati ottenuti nell’eliminazione di diversi
composti recalcitranti.
• La produzione di fanghi è analoga a quella degli impianti civili,
tipicamente compresa fra 0.05 e 0.35 kg SS kg-1COD d-1.
Il fouling
“Fouling” è il termine generico utilizzato per indicare un processo che determina
l’incremento della resistenza al moto di permeazione attraverso la membrana. Ciò è
dovuto all’adsorbimento o al deposito sulla superficie della membrana (formazione di
un cake), adsorbimento nei pori ( restrizione dei pori) o completa occlusione dei
pori.
1) Fouling fisico-chimico: può essere attribuito a composi
inorganici (Fe, Mn, idrossidi di Al, CaCO3), proteine and materiale
organico ed inorganico colloidale.
2) Fouling biologico: attribuito alla crescita di microrganismi
sulla superficie della membrana.
Una delle cause note di fouling è la presenza di polimeri
extracellulari (EPS) esecreti dai microrganismi.
Sistemi di controllo del fouling
1) E’ difficile rimuovere gli agenti sporcanti in ingresso perché
costituiscono una buona parte del carico organico che lo stesso
MBR dovrebbe rimuovere.
2) Pulizia chimica delle membrane è possibile con agenti
ossidanti (p.es. NaOCL), acidi (p.es. HCl) e basi (p.es. NaOH) per
rimuovere il fouling organico ed inorganico. Questa tecnica è
adottata quando si ha la formazione di fouling irreversibile.
3) Pulizia meccanica delle membrane: il controlavaggio rompe
lo strati di cake. P.es. nell’ MBR Zenon ogni 360 sec di filtrazione si
opera un controlavaggio di 60 sec.
4) Promozione della turbolenze è ottenuta con l’incremento
della velocità di cross-flow nei sistemi side-stream e con
l’aerazione nei caso di membrane immerse.
Analisi di costo
• Il costo più significativo è indubbiamente quello delle membrane. Tale componente è
proporzionale alla dimensione dell’impianto e non decresce per unità di carico come nel
caso dei trattamenti tradizionali.
Membrane cost $ per m
2
500
400
300
200
100
0
1991
1993
1995
1997
1999
2001
2003
2005
Year
•Attenzione alla variazione delle portate (tempo umido / tempo secco).
Esempio: Rimozione colore acque tessili
Effluente
chiariflocculazione
Abs. a 420 nm
0,090
Effluente
pilota MBR
0,074
Effluente
Ozonizzazione
0,070
Esempio: aggiunta PAC
Il mantenimento
lettodurante
di carbone
indiun
 Migliorare
la stabilità
IMPIANTO
deldel
sistema
TRADIZIONALE
gliAshock
carico
attraverso
l’adsorbimento
FANGHI ATTIVI
impianto
tradizionale
a fanghi attivi
PAC
 Incrementare
la rimozione
delimpianto
COD attraverso
COSTOSO
perchè un
tradizionale
a fanghi
Reattore biologico
Sedimentatore
secondario
l’adsorbimento
dei composti
organici
biodegradabili
attivi generalmente
lavora
connon
valori
dell’età del
fango bassi
 Migliorare la rimozione del colore
DIFFICILE perché parte del carbone attivo può
essere
persa con il chiarificato
 Migliorare
la sedimentazione
e la disidratazione del fango
 Favorire lo sviluppo dei microrganismi:
1. Adsorbendo
sostanze
che impianto
potrebbero risultare
tossiche
o inibenti;
L’uso
di carbonileattivi
in un
MBR può
risultare
2. Fornendo
una superficie su cui
crescere.
particolarmente
VANTAGGIOSO
STABILITÀ DEL SISTEMA
Esempio: aggiunta PAC
i
Senza carbone attivo
Concentrazione carbone attivo 1,5g/L
Concentrazione carbone attivo 3g/L
0,2
0,15
0,1
0,05
88-89
87-88
86-87
85-86
84-85
83-84
82-83
81-82
80-81
79-80
78-79
77-78
76-77
75-76
74-75
73-74
72-73
71-72
70-71
69-70
68-69
67-68
0
<67
Frequenze relative
0,25
Abbattimenti del COD [%]
Senza carbone
attivo
Carbone in concentrazione 1,5 g/L
Ridotta variabilità della qualità del refluo in
Carbone
in concentrazione
g/L
uscita in presenza
di carbone
attivo in3 polvere
Grazie per l’attenzione