Membrane BioReactors
Trattamenti avanzati delle acque reflue
FIRENZE 5-6 Giugno 2006
Le prospettive di sviluppo e upgrading dei
bioreattori a membrana
Francesca Malpei, Gianluigi Buttiglieri - Politecnico di Milano
Marco Ferraris – Centro Ricerche Trisaia ENEA
MBR: stato dell’arte
2
Notevole sviluppo di impianti a medio-larga scala (>2000 m3/d) per il
trattamento municipale delle acque di scarico in Europa
Swanage, (UK) (2000)
ASM Brescia (2002):
Kaarst (DE) (2003):
Westbuty (UK) (2002)
Buxton (UK) (2004)
Varsseveld (NL) (2004)
(Melin et al., 2006)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
13,000 m3/d
42,000 m3/d
45,000 m3/d
3,500 m3/d
10,000 m3/d
18,000 m3/d
(Kubota)
(Zenon)
(Zenon)
(Kubota)
(Zenon)
(Zenon)
MBR: stato dell’arte
3
Filtration Industry Analyst, Novembre 2005: fino a 1000 nuovi
impianti MBR verranno costruiti annualmente (*)
Global Market
($ Millions)
Il mercato MBR cresce con un tasso annuo del 10.9%
Stima 2010:
363 milioni US$
Il mercato MBR è soprattutto in mano a produttori non europei.
Globalmente > 2200 installazioni MBR operative o in costruzione (*)
(* Yang et al., 2006)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR: costi energetici
Costo membrane
(6 anni durata)
Euro/m3 acqua trattata
Costi di energia
0.05 euro/1 kWh
Sistema
Esterne
Consumo
kWh.m-3
4
Costo
Euro/m3
1-3
0.05-0.15
Immerse
(controllo
fouling)
0.1-0.3
0.0050.015
Aerazione
0.3-0.6
0.015-0.03
Flusso
l.m-2h-1
Membrane
euro/m2
10
50
100
40
0.08
0.016
0.008
80
0.16
0.032
0.016
100
0.2
0.04
0.02
Costi membrane immerse < costi membrane esterne
Il costo energetico può in alcuni casi superare il costo delle membrane
(Ben Aim et al., 2003)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR: costo delle membrane
5
Costo delle membrane
Costo membrane $ al m2
500
400
300
200
100
*
0
1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005
anno
* Yoon et al., 2004
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR: aspetti da migliorare
6
Aspetti tecnico-impiantistici da considerare:
• Controllo del fouling
• Riduzione degli EPS
• Riduzione dei consumi energetici per aerazione e
funzionamento
• Disidratabilità dei fanghi
• Sviluppo di nuove membrane
• Valutazione del fattore di corrosione di alcuni
materiali costruttivi (per condizioni T e pH particolari)
• Ottimizzazione dei cicli di pulizia dei moduli filtranti
• Valutazione del ciclo di vita
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Come si muove la ricerca MBR a livello
mondiale…
7
La maggior parte delle recenti ricerche su MBR:
• Problema del fouling
• Caratterizzazione microbica
• Ottimizzazione parametri operativi
Numero pubblicazioni mondiali sugli MBR
(Yang et al., 2006)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Priorità EC in tema trattamento
delle acque
8
La sempre maggiore scarsità di acque pulite, sicure e potabili viene
descritta come “l’unica minaccia enorme per la salute, l’ambiente e la
sicurezza alimentare globale”*
Direttiva quadro sulle acque → politica integrata per la gestione delle
risorse idriche.
 Molti dei piccoli sistemi di fornitura non sono conformi.
 I grandi sistemi centralizzati devono fornire ininterrottamente acque
affidabili.
• Processi di trattamento efficienti ed economici
• Re-immissione delle acque reflue nel ciclo idrologico senza effetti
dannosi
• Schemi multi-barriera e metodologie di controllo
(* http://cordis.europa.eu)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
CALL: SUSTDEV-2004 Advances in membrane bio-reactor
technologies for municipal wastewater treatment
9
Sviluppo nelle tecnologie dei bioreattori a membrana per il
trattamento delle acque di scarico municipali ed in
particolare:
 Avanzamenti negli aspetti ingegneristici dei processi
 Riduzione dei costi per ottenere soluzioni
economicamente efficienti
 Attenzione alla performance delle membrane (tenendo
conto dei flussi, necessità di pulizia, durate dei moduli,
etc)
 Attenzione all’efficienza energetica
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Progetti europei Approvati
10
In risposta alle call specifiche sono stati approvati:
 AMEDEUS ed EUROMBRA (STREP)



Riuniscono 25 università, centri di ricerca, imprese e gestori
Capofila: Wasser Berlin Centre
3 milioni di € ciascuno di finanziamento comunitario (indotto
complessivo di 6 milioni di €)
 MBR-TRAIN (Network of excellence)




10 partners dall’industria ad istituti di ricerca e università
Coordinatore: RWTH Aachen University.
Tra i partner: Cranfield University, Kompetenzzentrum Wasser,
Politecnico di Milano, Ghent University
2 milioni di € di finanziamento comunitario
AMEDEUS
EUROMBRA
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR-TRAIN
Progetti AMEDEUS ed EUROMBRA
11
OBIETTIVI:
 Ridurre i costi operativi e di capitale
 Aumentare la quota di mercato CE negli impianti MBR
 piccoli (da 50 a 2000 p.e. standardizzati ed autonomi)
 a media scala (fino a 100.000 p.e. ) ed upgrade di impianti a
scala più grande
 Rafforzare il potenziale di riutilizzo non potabile
 Organizzare trasferimento di tecnologie verso
l’Europa meridionale ed orientale
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
EUROMBRA ed AMEDEUS:
obiettivi specifici
12
• controllo del fouling e clogging
a micro
che macro scala
No sia
Background
Flow
 utilizzo di flocculanti, enzimi agenti adsorbenti
4
 sviluppo di sensori on-line, misure fotometriche, etc
3.5
 incremento dei flussi con agenti contro il fouling
organico
Suction Pressure
dP/dt
Rise dTMP/dt
3
•ottimizzazione dell’aerazione per:
 favorire o mantenere la bioattività
 prevenire il fouling
 rimuovere il fouling
Small Bubbles (approx
4mm)
2.5
Cap bubbles (approx
20x20x5mm)
2
Large Bubbles (approx
20x20x20mm)
1.5
1
0.5
• impatto di picchi di carico
0.0001
0.001
0
0.01
0.1
1
Gas flow Rate (L/min)
• modellizzazione biologica
degli MBR
Molte piccole bolle meglio di poche grandi?
 valutazione dei possibili impatti sulla speciazione e diversità microbica
La dimensione ottimale deve ancora essere trovata
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
EUROMBRA ed AMEDEUS: obiettivi
specifici
13
Concentration (mg/gTSS)
• analisi del comportamento
a lungo termine della permeabilità e aspetti
180
idrodinamici
160
140dimensione granulometrica e analisi chimiche del
 analisi della
particolato120
(EPS, SMP, etc)
100
SMP
 impatto della
geometria del reattore
80
EPS
 influenza del tempo di contatto tra acqua e fango
60
40
• sviluppo di tecnologie
innovative di pulizia dei moduli filtranti MBR e
20
ottimizzazione 0
Convenzionale
3
5
5
/0 8/0 7/0 7/03 8/05 7/05 8/05 7/05 RA 6/04 4/05 /04 /05
7
5 1massa
8
P
1
0
1 t 1 t 0primaria,
• impatto della sedimentazione
t 1 d 0 d 1trasferimenti
IS RI 0 RI 0 O 0 di
m
m
m
O
a
a
a
T
T
E
E
DOASM
DO EDO DO DO
O
O
O
calibrazione dei
parametri
M AM RA RA
E
E
E
E
D
D
D
A
S
S
S
P
P
S
S
C
C
SE SE SE NO NO NO
O
O
N
N
NO NO NO
MBR
e
• valutazione dello smaltimento dei fanghi
Da approfondire le differenze MBR-convenzionale
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR – TRAIN: progetti europei
1/2 14
Lo sviluppo della tecnologia MBR necessita multi-disciplinarietà:
 mutue interazioni tra sistema biologico e separazione ad opera
delle membrane
 conoscenze necessarie in chimica analitica, microbiologia,
costruzione di polimeri, fluido-dinamica, ingegneria chimica e
civile, etc.
Tra i progetti:
• Influenza delle proprietà dei materiali delle membrane (Aachen)
 impatto degli agenti chimici pulenti sulle membrane
 prove con diverse tipologie di membrane soggette a dosi e chimici
diversi con monitoraggio dei materiali (distribuzione dei pori, cutoff, morfologia superficiale, etc.)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR – TRAIN: progetti europei
2/2
15
• Destino di alcuni POPs (metalli, pesticidi, inquinanti di origine
tessile) in MBR per usi potabili (Politecnico di Milano)
 Stima dell’adsorbimento e della degradazione (respirometria e
microcalorimetria)
 ricerca metaboliti
 valutazione inibizione
• Ottimizzazione dei costi negli MBR a piena scala
 Impianto a piena scala (230 m3/h); valutazione dei costi;
implementazione misure operative per riduzione costi di
esercizio (Aquafin- Belgio)
• Modellizzazione matematica e controllo di processo (Ghent)
• Studi a scala di laboratorio, pilota ed a piena scala
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Sviluppi futuri del sistema MBR
16
 Rimozione di sostanze pericolose ed endocrinedisrupters
 Trattamento reflui concentrati e recalcitranti
(percolato, alimentare, solventi clorurati, allevamenti e
tessile, etc)
 MBR anaerobici e fermentazione assistita
 Rimozione dei nitrati nelle acque potabili e
risanamento di acque sotterranee
 Ampio spettro di riutilizzi, anche per ricarica falda
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Sostanze pericolose ed endocrinedisrupters
17
Molti e diversi gruppi di microinquinanti:
 Metalli ed altri inorganici
 Idrocarburi policiclici aromatici ed alifatici
 Prodotti fitosanitari e biocidi (pesticidi, prodotti per la casa,
disinfettanti, etc)
 VOC
 Farmaceutici?
entrano negli scarichi domestici e quindi nei WWTP
solo parziale rimozione → rintracciati nelle acque di scarico
(range ng-mgL-1) sopra i limiti normativi (DM 152/06)
(Clara et al., 2005, Joss et al., 2006)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Rimozione di sostanze pericolose
negli MBR
18
Il sistema MBR
 può favorire l’acclimatamento di batteri specifici per la
rimozione di interesse → aumento rimozione biologica
 trattiene il particolato ed i composti ad elevato peso
molecolare → aumento rimozione fisico-meccanica
 Se opera ad SRT elevati riduce la frazione rimossa per
adsorbimento → riduzione della rimozione fisica
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Rimozione di sostanze pericolose
negli MBR
19
Nel sistema MBR, data la carenza di dati di letteratura,
per molte delle sostanze risulta necessario valutare :
•
•
•
•
componente biodegradativa della rimozione
componente adsorbita sulla biomassa
analisi dei possibili metaboliti e loro tossicità
inibizione o eventuali fattori co-metabolici
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Rimozione di sostanze
farmaceutiche negli MBR
20
In relazione alla struttura molecolare riscontrate tre categorie:
Concentrazione
(ng/l)
out(ng/l)
Concentrazione
1. Rimosse sia dai convenzionali che MBR (ad es. ibuprofen)
2. Non efficacemente rimosse (ad es. acido clofibrico, dichlorop, etc)
3. Rimossi efficacemente da MBR ma non da convenzionale
(ketoprofene, acido mefenamico, naprossene, etc)
300
250
200
150
100
50
0
ketoprofene
Naprossene
Convenzionale
(Kimura et al., 2005; Urase et al., 2005)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR
dichloprop
Rimozione di tensioattivi negli MBR
21
In talune condizioni ottima rimozione tensioattivi anionici (94% *)
Necessaria attenzione alla tossicità dei residui recalcitranti
Acqua reflua
MBR rimozione 87%
Convenzionale rimozione 74%
Acidi nonilfenolcarbossilici (NPnEC)
Nonilfenolo (NP)
Nolilfenoli mono e di-etossilati (NP1EO + NP2EO)
Nonilfenoli polietossilati (NPnEO)
(*Dhouib et al., 2005)
(Terzic et al., 2005, Petrovic et al., 2003)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Rimozione di atrazina negli MBR
22
Politecnico di Milano, 2005
Sperimentazione Febbraio-Novembre 2005
1.5
Q
250
l/d
y = 1.5328x - 1.5972
5,6-6,9
2
R = 0.9754
SST MBR
log q (mg/gSS)
1
gSST/l
Carico COD
0,125
gCOD/(gSST*d)
C/N
1,4-1,8
gC/gN
Atrazina IN
10
mg/l
Carico
atrazina
0
1.79
mgATR/(gSST*d)
0.5
Prove di Adsorbimento su MBR e convenzionale
-0.5
q/m (mg/gSS)
MBR
q/m (mg/gSS)
Gavirate
5
0.218
0.000
10
0.840
0.000
20
2.019
0.951
C iniziale (mg/l)
-1
-1.5
0 50
100
0.2
0.4
0.64.402 0.8
16.536log
1
1.2
3.583
Cequilibrio (mg/l)
14.937
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
1.4
> adsorbimento
MBR
1.6
1.8
2
Rimozione di atrazina negli MBR
23
Politecnico di Milano, 2005
Rimozione impianto Pilota MBR
12
pompa alimentazione
10
ingresso
6
Impianto fermo
mg/l
8
4
2
0
12-lug
01-ago
21-ago
10-set
30-set
20-ott
tempo (d)
Rimozione > solo adsorbimento
Ridotta degradazione?
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
09-nov
MBR per la rimozione dei metalli
24
IN (mg/l)
OUT (mg/l)
Rimozione (%)
2
7.95
53.9
9.6
0.5
8.65
18.5
461
1766
1592
0.7
0.5
2.2
2.5
<0.25
1.8
4.7
<50
<50
<50
65.0
93.7
95.9
74
>50
79.2
74.6
>90.2
>97.2
>96.9
As
Hg
Cu
Pb
Cd
Ni
Cr
Zn
Fe
Al
Fatone et al., 2005
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR per la rimozione dei nitrati su
acque destinate ad scopo potabile
2,5
10
Q=350 l/d
2,2
8,8
Q=450 l/d
2
8
1,9
7,6
1,7 1,4 1,2
6,8 5,6 4,8
100
90
mg N-NO3/l
80
80
70
60
60
50
40
40
30
20
120
20
limite CD/EC/98
10
0
0
01-ago 26-ago 20-set
15-ott 09-nov 04-dic
N-NO3 den
Politecnico di Milano, 2005
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
29-dic 23-gen 17-feb
e (%)
e (%)
110
C/N
COD/N100
Q=250 l/d
25
MBR per la rimozione dei nitrati su
acque destinate ad scopo potabile
26
Funzionamento membrana
TMP: Funzionamento regolare
35
6
375 l/d
500 l/d
25
5
15
4
3,5 m 3/h
2 m 3/h
2,7 m 3/h
3
3
5
2,7 m 3/h
m /h
kPa
250 l/d
-5
2
-15
1
pressione di processo
p prove in bianco con acqua di lago
-25
-35
18-feb
0
Aria soffiante
09-mar
29-mar
18-apr
08-mag
Politecnico di Milano, 2005
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
28-mag
17-giu
07-lug
-1
27-lug
MBR per la rimozione di reflui industriali
concentrati (in campo agro-industriale)
500
COD in
dimostrativo
450
7.000
IN
OUT
UFC/100ml
UFC/100ml
Rimozione
400
6.000
Caratteristiche del permeato:
5.000
(log)
350
300
T. Coli 17.200.000
3,5
6,69
250
4.000
200
possibile il riuso
150
F. Coli 15.050.000
2
6,88
100
50
18/10/01
1
09/10/01
30/09/01
E. Coli 14.100.000
21/09/01
12/09/01
03/09/01
25/8/01
16/8/01
0
07/08/01
20/7/01
11/07/01
02/07/01
23/6/01
14/6/01
05/06/01
27/5/01
18/5/01
09/05/01
3.000
• SST
< 10 mg/l
2.000
• Colore:
rimozione elevata
1.000
• Odore:
0 totalmente assente
• Rimozione carica microbica
29/7/01
COD in (mg/l)
Impianto
MBR
9.000
COD out
reflui
suinicoli
(Rovere)
8.000
COD out (mg/l)
10.000
27
7,15
DATE
Rozzi - Malpei 2003
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Trattamento reflui industriali concentrati
(percolato) con sistema MBR-MBBR
28
Alta biodegradabilità per alte età del fango
-1
• COD:
0.1
–
100
g
l
1,0
1
influente
• Azoto
0,9 ammoniacale: 0.1 – 5 g l-1
kgCOD (kgSST d)-1
}
Ossidazione
dell’ammoniaca arrestata a nitrito
0,7
0,8
0,8
0,6 rimozioni COD e ammoniaca
→Ottime
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,4
0,2
295
274
253
232
211
190
169
148
127
106
85
64
43
22
1
0
tempo (d)
Carico del fango
Rimoz COD
Canziani - Malpei,
2004
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
Sistemi avanzati MBR
29
 sistemi MBR con inoculo di batteri specifici
(enhanced MBR) efficace per rimozione di COD e NH4
(con tempi di acclimatamento inferiori) rispetto ad un
MBR standard. (Jin et al., 2005)
 Utilizzo affiancato MBR con altre tecnologie: ad es
carboni attivi (buoni risultati per percolato, Wintgens et
al., 2003)
Il sistema MBR potrebbe risultare risolutivo anche per sostanze
recalcitranti
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR in ambiente anaerobico
30
Applicazioni condotte prevalentemente a scala banco o pilota
(eccetto ADUF)
Prevalente utilizzo di membrane esterne (tubolari) di tipo cross-flow
implementate in schemi side-stream
Risultati poco incoraggianti in quanto le estreme condizioni
idrodinamiche necessarie per la filtrazione tipo cross-flow
possono influenzare:
• L’attività della biomassa anaerobica
• la filtrabilità del fango a causa del maggior rilascio di SMP ed
EPS
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR in ambiente anaerobico
31
A fronte delle problematiche descritte si sta iniziando a valutare
anche l’applicabilità delle membrane di tipo sommerso
Vantaggi attesi:
• Minori costi di installazione
• Minori costi di gestione
• Minori impatti sull’efficienza del processo biologico
Strategia di pulizia della superficie filtrante basata sull’insufflazione
di grosse bolle di biogas prodotto dal processo biologico
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR in ambiente anaerobico
32
Esperienza in Italia condotta dall’ENEA in collaborazione con IRSACNR e Politecnico di Milano
Caratteristiche Impianto pilota:
• Reattore completamente miscelato
• Volume reattore 10 – 30 Litri
• Fibra cava immersa ZENON
• Ricircolo del biogas prodotto per garantire la
miscelazione del mixed liquor e la turbolenza
necessaria per la pulizia delle membrane
• Refluo sintetico
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR in ambiente anaerobico
33
Condizioni operative
Min
Max
media
Carico organico
[g COD/L*day]
0.85
1.49
1.3
COD entrata
[mg/L]
1747
3021
2560
COD uscita
[mg/L]
148
574
223
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR in ambiente anaerobico
34
Primi risultati ottenuti
• Verificata la funzionalità dello schema impiantistico
• Elevata efficienza di abbattimento COD (attestata intorno al 95%
dopo 10 giorni dallo start-up) con resa di produzione del metano
pari a 0,32 NLitriCH4/gCOD
• In condizioni cautelative di funzionamento verificata una buona
filtrabilità del fango (TMP stabile per 60 giorni pari a 2,5 kPa ad
un flusso di 8,6 L/m2*h ed assenza di lavaggi chimici)
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
MBR in ambiente anaerobico
35
TMP & SSV
5
[kPa]
12000
TMP aspirazione [kPa]
TMP controlavaggio [kPa]
SSV [mg/L]
10000
4
8000
3
6000
2
4000
1
2000
0
0,0
10,0
20,0
30,0
[giorni]
Nome Ferraris
relatore
Malpei, Buttiglieri,
40,0
50,0
0
60,0
[mg/L]
6