I bioreattori a membrana (MBR, Membrane Bio Reactor) sono un abbinamento tra un sistema biologico a fanghi attivi e un processo di filtrazione a membrana.
Maggiori vantaggi di questa tecnologia derivano dalla possibilità di eliminare l'unità di sedimentazione a valle del comparto biologico.
Il sistema di filtrazione è formato da moduli a membrane (per esempio di tipo a fibra cava) che vengono immersi nella vasca a fanghi attivi. L'acqua trattata con processi biologici viene aspirata attraverso la superficie delle membrane grazie ad una pompa che crea una depressione all'interno delle fibre.
Il refluo trattato con la tecnologia MBR presenta livelli di qualità tali da consentirne il riutilizzo per scopi industriali o irrigui, anche senza ulteriori trattamenti (e quindi anche nel rispetto D.lg 152/2006).
Ci sono molti vantaggi nel utilizzo delle membrane ed in quanto riguardano i svantaggi noi abbiamo risolto cosi:
Per diminuire l'incidenza dell' elevato costo delle membrane la GOST ha fatto uno studio approfondito sul mercato delle membrane.
La conoscenza degli aspetti biologici del processo, delle dinamiche delle popolazioni batteriche, la loro attività e vitalità cellulare viene studiata accuratamente nel nostro laboratorio.
La problematica del fouling è stata risolta con un adeguato sistema di automazione che la GOST ha messo a punto.
Tecnologia MBR |
Membrane MBR a fibra
cava |
PROCESSI DI SEPARAZIONE A MEMBRANA
L'entrata in vigore del Decreto Legislativo 258/00 in ricevimento delle Direttive Comunitarie 271/91 e 676/91 ha comportato l'introduzione di limiti normativi più restrittivi per quanto riguarda la rimozione dei nutrienti dalle acque reflue. In particolare il danneggiamento del corpo idrico ricettore ha imposto l'esigenza di interventi di adeguamento degli impianti di depurazione esistenti, spesso caratterizzati unicamente da comparti di ossidazione biologica dei composti organici. Tuttavia, questa necessità di potenziamento, tende a scontrarsi con la sempre minore disponibilità di superficie per la realizzazione di processi a fanghi attivi convenzionali, favorendo il crescente interesse per alcune tipologie di trattamento in grado di compattare i volumi di processo
Il sistema MBR è destinato a diventare una delle tecnologie più diffuse tra quelle impiegate nella depurazione delle acque e questo soprattutto per rispondere ad un quadro normativo nazionale ed internazionale sempre più restrittivo.
I bioreattori a membrana (MBR, Membrane Bio Reactor) nascono dall'abbinamento di un sistema biologico a fanghi attivi con un processo di filtrazione a membrana . Maggiori vantaggi di questa tecnologia derivano dalla possibilità di eliminare l'unità di sedimentazione a valle del comparto biologico.
A tal fine vengono impiegati moduli filtranti ad UF e MF, generalmente a fibre cave, immersi all'interno della vasca a fanghi attivi dell'impianto di depurazione; tali moduli, che sottoposti internamente a una depressione, consentono il trattenimento della biomassa sospesa e la separazione di un effluente depurato con efficienze di rimozione dei SS prossime al 100%( in particolare, nel caso delle membrane di UF (con porosità dell'ordine di 0.1 micron) risulta garantito il trattenimento di tutti i tipi di microrganismi, compresi i virus)
Le membrane sono barriere selettive che permettono il passaggio solo di alcuni componenti della miscela:
Il refluo trattato con la tecnologia MBR presenta livelli di qualità tali da consentirne il riutilizzo per scopi industriali o irrigui, anche senza ulteriori trattamenti( e quindi anche nel rispetto D.lg 185/2003). Al contrario degli impianti tradizionali, dove il funzionamento e fondato sulla capacità del fango di aggregarsi in fiocchi sedimentabili, tecnologia MBR non ha bisogno di garantire la sedimentabilità del fango eliminando cosi le vasche di sedimentazione e il trattamento di filtrazione.
Eliminando il sedimentatore( la concentrazione dei fanghi raggiunge valori 3- 4 volte più grandi a confronto con gli impianti tradizionali) si ottiene:
DESCRIZIONE DELLA TECNOLOGIA
I bioreattori a membrana combinano i trattamenti biologici delle acque reflue con un processo di separazione solido-liquido estremamente efficiente quale la filtrazione attraverso membrane. Il sistema di filtrazione che sfrutta moduli a membrane per esempio di tipo a fibra cava con diametro nominale dei pori pari a 0,2 micron (micro-ultrafiltrazione) vengono immersi nella vasca a fanghi attivi.
L'acqua trattata per mezzo dei processi biologici viene aspirata attraverso la superficie delle membrane grazie ad una pompa che crea una depressione all'interno della fibra cava. La stessa pompa, ad intervalli costanti, opera il controlavaggio delle membrane invertendo il flusso del permeato. Per ridurre ulteriormente lo sporco, i moduli di filtrazione sono dotati di un sistema di insufflazione di aria che garantisce, attraverso una maggiore turbolenza in prossimità delle fibre, di minimizzare il deposito della biomassa sulle fibre stesse.
La biomassa non può attraversare le membrane e quindi può essere allontanata solo per spurgo: ciò permette un accurato controllo dell'età del fango e della sua concentrazione in vasca. Inoltre viene garantito un abbattimento della carica batterica notevolmente più elevato rispetto alla sedimentazione.
Il sistema consente anche una maggiore degradazione di composti organici refrattari. Infatti, l'elevato peso molecolare che spesso caratterizza tali composti li rende impermeabili alla membrana e quindi ne aumenta notevolmente il tempo di contatto nella vasca a fanghi attivi, favorendo tra l'altro lo sviluppo di consorzi microbici specifici.
CLASSIFICAZIONE DELLE MEMBRANE
Le membrane sono classificabili sulla base
delle dimensioni nominali dei pori,
della struttura geometrica
del materiale costitutivo ( naturali o sintetiche, inorganiche e composite)
Le membrane possono operare la filtrazione attraverso processi
di adsorbimento,
diffusione,
scambio ionico
osmosi
L'ambito di impiego delle membrane le classifica in:
TIPOLOGIE DELLE MEMBRANE
Metodo adottato per classificare i processi a membrana basato sulla dimensione caratteristica dei pori di passaggio, valutata in termini statistici:
Microfiltrazione:
Rimuove pigmenti, batteri, particelledi dimensionioni del sub- µ
D = 0,1 - 1,0 µm
D medio = 0,2 µm
Ultrafiltrazione
Rimuove Batteri, virus, proteine, zuccheri
D = 0,05 µm
P. mol. Particelle rimosse 5.000- 200.000 g/mol
Pressioni operative fino a 1.000 kPa(10 bar)
Nanofiltrazione
Operano sul principio della diffusione in soluzione
Rimuove colore, zuccheri, durezza, solfati
Pressioni operative fino a 5.000 kPa( 50 bar)
Osmosi inversa
Operano sul principio della diffusione in soluzione
Rimuove Sali e ioni con p.mol inferiore a 200
Impieghi: dissalazione acque di mare per scopo potabile, depurazione acque per uso industriale e farmaceutico, trattamento percolato
Pressioni operative fino a 7.000kPa( 70 bar)
Alte pressioni fino a 15.000 kPa( 150 bar)
GEOMETRIA DEI MODULI
Modulo = la più piccola unità contenente una o più membrane e le strutture di supporto, che può operare indipendentemente dal resto dell'impianto.
Struttura geometrica è valida se riesce a minimizzare lo sporcamente ed al tempo stesso ad incrementare la superficie specifica del modulo.
Principali tipologie di moduli:
avvolgimento a spirale - la membrana è un nastro continuo avvolto attorno ad un tubo formato; Velocità 0,10 - 0,60 m/s( trova disegno)
a fibre cave - Diametro molto inferiore alle tubolari ( 0,2 - 3 mm) richiedono un supporto rigido, Velocità 0,5 - 5 m/s
moduli piani - membrana appoggiata su supporti piani distanziati mediante la rete spaziatrice per evitare lo schiacciamento del compartimento del permeato
moduli tubolari - materiali ceramici, carbonio o plastiche porose, diametro interno dei tubi = 3 - 25 mm, velocità 2 -6 m/s, rivestono l'interno del tubo
CONFIGURAZIONE DELLE MEMBRANE
| CONFIGURAZIONE |
SUPERFICIE SPECIFICA m² m³ |
COSTI |
CONDIZIONI DI TURBOLENZA |
VANTAGGI |
SVANTAGGI |
APPLICAZIONI |
| Piane con supporto |
400 -600 |
Alti |
Discrete |
Possono essere pulite ex - situ |
Progettazione complessa
Non possono essere contro lavate |
ED, UF, RO |
| Con avvolgimento a spirale |
800 -1.000 |
Bassi |
Scarse |
Bassi costi energetici
Schemi robusti e compatti |
Pulizia complessa
Non possono essere contro lavate |
RO, UF |
| Tubolari |
20 -30 |
Molto alti |
Molto buone |
Si prestano facilmente a pulizia meccanica
Operano ad alte concentrazioni di solidi |
Elevati costi di impianto |
UF, MF |
| Fibre cave |
5.000 - 40.000 |
Molto bassi |
Molto scarse |
Possono essere controllavate
Consentono schemi compatti
Resistono ad alte concentrazioni colloidali |
Alta sensibilità agli shock di pressione |
MF, UF, RO |
Membrane piane
Le membrane piane sono disposte su due lati di un supporto rigido canalizzato detto cartuccia. Sono realizzate in materiale polimerico e possono operare sia nel campo della micro che ultrafiltrazione.
Le cartucce sono inserite parallelamente all'interno di appositi moduli di contenimento.
I moduli comprendono nella parte inferiore, un sistema di insufflazione d'aria tramite appositi diffusori, in modo da attuare la così detta filtrazione tangenziale "cross-flow", necessaria per prevenire il deposito di fango e l'intasamento delle superfici filtranti.
La portata specifica può variare notevolmente, anche e soprattutto in funzione del tipo di refluo da trattare (flusso critico, ovvero il valore di portata specifica, al di sotto del quale non si verificano intasamenti). Il sistema di aspirazione del permeato si basa su pompe autoadescanti autoregolate da inverter/pressostato, normalmente funzionanti in aspirazione continua con microcicli di rilassamento opportunamente calibrati. Per il mantenimento nel lungo periodo della permeabilità, sono previsti periodici lavaggi in controcorrente, con una frequenza variabile da un mese ad un anno. Con questa tipologia di membrane è possibile operare la filtrazione anche in presenza di concentrazioni di fango fino a 25-30 gr/l
Membrane a fibra cava
Le membrane a fibra cava immersa prevedono una separazione a livello di ultrafiltrazione, e oltre che per la forma, si differenziano da quelle a pannelli piani per:
Composizione della membrane (PE-C e/o PVDF, con proprietà non ionica e idrofila).
Funzionamento detto OUT-IN, ovvero con l'aspirazione del permeato interrotta per brevi intervalli da un funzionamento in controlavaggio.
Questi moduli si prestano ottimamente al trattamento di reflui diluiti (COD di 200-1000 mg/l) e con concentrazioni di fango contenute entro i 10-12 kgSS/mc.
Anche in questo sistema la filtrazione avviene in modo tangenziale, con insufflazione d'aria tramite diffusori posti nella parte inferiore del modulo. Il movimento delle singole fibre, ancorate al sistema di suzione ad una o ad entrambe le estremità, combinato con l'aerazione per cross-flow, permette una velocità di filtrazione stabile e a bassi costi energetici, essendo sensibilmente maggiore la superficie filtrante aerata a parità d'aria insufflata rispetto alle membrane piane.
I cicli di pulizia con aria sono realizzati alternando basse ad elevate portate d'aria (air pulsing) in modo da assicurare che solidi, fibre e altre particelle siano allontanate dai capillari dei fasci delle membrane.
VANTAGGI MBR
Avviamento più veloce (non bisogna aspettare la crescita dei batteri fiocco- formatori)
Non c'è necessità di inoculo
Si può ottenere alta resa di abbattimento della frazione organica inquinante sin dall'inizio (data la presenza dei SS nel refluo di ingresso)
Elevata qualità dell'effluente con possibilità di riutilizzo delle acque per:
rendimenti molto elevati, eccellente qualità dell'effluente
risultano assenti i ricircoli di fango
possibilità di ampliare i depuratori senza realizzare nuove vasche
superamento o minimizzare del problema di bulking da filamentosi
minore sensibilità alle variazioni di carico
non necessità la disinfezione
alta concentrazione dei solidi e minore ingombro dei manufatti
età del fango elevata e minore produzione fango di supero
impianto conforme alle linee giuda delle migliori tecnologie applicate
risulta assente la fase di sedimentazione secondaria, con conseguenti risparmi in termini di volumetrie ed ingombri in pianta
risulta possibile il raggiungimento all'interno dei reattori di concentrazioni di biomassa dell'ordine di 15-30 gSSV/L, completamente svincolate dai tempi di residenza idraulici. possibilità di riutilizzare le acque depurate
A fronte di questi vantaggi dei sistemi MBR, restano ancora diversi aspetti da chiarire, sia in relazione alle cinetiche del processo biologico che al controllo dei fenomeni di sporcamente della membrana
FATTORI DI INFLUENZA
Resistenza intrinseca della membrana
Pressione transmembrana
Condizioni idrodinamiche all'interfaccia membrana - soluzione
La permeabilità della membrana può subire variazioni nel corso del tempo date da:
Deterioramento chimico - fisico
Variazione delle caratteristiche dell'alimento
Condizioni idrodinamiche meno efficienti
Polarizzazione da concentrazione ( accumulo all'interfaccia del soluto respinto con formazione dello strato limite di concentrazione)
Fouling o sporcamente interno ( intasamento dei pori) o esterno ( occlusione dei pori)
FOULING
Il fouling si sviluppa attraverso fenomeni di tipo chimico- fisico e dipende dalla tipologia della membrana( dimensione dei pori, carica superficiale), dalle caratteristiche del soluto presente nell'alimento ( pH, lipidi, oli, grassi) e le condizioni operative ( T, portata e condizioni di turbolenza)
PROCESSI BIOLOGICI A MEMBRANA
I reattori biologici a membrana cosiddetti MBR ( Membrane Biological Reactor) sono nati negli anni 60 e consistono nell'accoppiamento di un processo convenzionale a biomassa sospesa con la filtrazione su membrane.
I sistemi MBR sono classificati in tre principali tipologie:
A e B differiscono per come viene effettuata l'operazione di pulizia meccanica della superficie filtrante.
Sia in A che in B si instaura un regime di filtrazione a flusso tangenziale, in cui l'alimento scorre parallelamente alla superficie della membrana ortogonalmente alla direzione di attraversamento della membrana da parte della componente filtrata ( permeato).
In A il regime è ottenuto tramite l'insufflazione di bolle d'aria
In B il regime è ottenuto tramite il ricircolo di alimento con pompe
A minori consumi energetici (tipico reflui civili)
B tipico reflui industriali (elevate concentrazioni di inquinanti e basse portate)
Per la fornitura di ossigeno senza insufflazione di bolle
Per l'estrazione di sostanze organiche da acque reflue industriali particolarmente ricche di composti inorganici quali acidi, basi e Sali
I nostri progetti relativi ai sistemici trattamenti delle acque sono caratterizzati dal chiavi in mano.
La nostra esperienza ci permette anche, in funzione delle esigenze del cliente di intervenire sui impianti esistenti con screening analitici e funzionali per riportargli in stato ottimale di efficienza.
