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I bioreattori a membrane Claudio Lubello Dipartimento Ingegneria Civile.

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Presentazione sul tema: "I bioreattori a membrane Claudio Lubello Dipartimento Ingegneria Civile."— Transcript della presentazione:

1 I bioreattori a membrane Claudio Lubello Dipartimento Ingegneria Civile

2 Filtrazione su Membrana Membrana Separazione fisica di solidi sospesi, colloidali o disciolti da un mezzo liquido o gassoso. Forza motrice: PRESSIONE POTENZIALE ELETTRICO TEMPERATURA GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE COMBINAZIONE DI DIVERSE FORZE MOTRICI

3 Alimento Q A, C A, P A Permeato Q P, C P, P P Concentrato Q C, C C, P C Q A J P Flusso permeato A = area filtrante 100 Q Q RR A p Fattore di recupero Reiezione del soluto C - C SR A 100 C SR A A p

4 Flusso di permeato Dove TMP è la differenza di pressione attraverso la membrana (pressione di transmembrana), è la viscosità assoluta dellacqua, 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.

5 MICROFILTRAZIONE NANOFILTRAZIONE OSMOSI INVERSA Solidi sospesi Batteri Emulsioni Macromo- lecole Colloidi Virus Proteine Composti basso P.M. ioni ULTRAFILTRAZIONE La più importante classificazione delle membrane è basata sul grado di selettività (diametro o peso molecolare) delle sostanze rimosse

6 Effetto su alcuni parametri ParametroMFUFNFRO BODXXX DurezzaXX MetalliXX NitratiXX Inquinanti organiciXXX Composti organici di sintesiXX TDSXX TSSXX BatteriXXXX Protozoi e uova di elmintiXXXX VirusXX

7 Reattore biologico Sedimentatore secondario PERMEATO La biomassa è separata dallacqua trattata grazie allunità di filtrazione costituita dalle membrane Unità di filtrazione Bioreattore a Membrana (MBR) IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI I solidi ed i microrganismi sono separati dallacqua trattata allinterno del sedimentatore secondario

8 Configurazioni di MBR QQrQr Q UF/MF Q+Q r Bioreattore 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.

9 Permeato Q Influent Q Bioreattore Membrane tank Riciclo dei fanghi Q r Q+Q r b) La separazione avviene in un contenitore posto ad quota superiore rispetto al bioreattore (solitamente proprio sopra). Il ricircolo dei fanghi avviene per gravità. Bioreattore Q Q UF/MF 2) Membrane sommerse a) La separazione avviene allinterno dello stesso bioreattore, senza necessità di ricircolo Configurazioni di MBR

10 1989[Yamamoto]2005 [Zenon, Kubota et al.] Oltre 1000 MBR nel mondo per un volume complessivo prodotto > 60 ML/d ~90% con membrane sommerse Oltre 1000 MBR nel mondo per un volume complessivo prodotto > 60 ML/d ~90% con membrane sommerse

11 Direzione del flusso e meccanismi di fouling Dead-end Flusso alimento Flusso permeato Spessore cake tempo Bassi consumi energetici Alta velocità di accumulo Veloce diminuzione di flusso tempo Flusso permeato Flusso alimento Spessore cake Flusso permeato Cross-flow Minore accumulo Diminuzione di flusso più lenta Alti consumi energetici per il ricircolo

12 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: In cui: P f = pressione del flusso di alimento P c = pressione del flusso di concentrato P p = pressione del flusso di permeato Nel caso di filtrazione dead-end:

13 Andamento del flusso di permeato In presenza di materiali disciolti e/o colloidali, laumento del flusso di permeato risulta essere in un primo momento lineare con lincremento 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).

14 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 ( m 2 /m 3 ) e massima compattezza. Svantaggi: rapido intasamento (per le basse velocità tangenziali e dimensioni ridotte dei passaggi). 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). 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 m 2 /m 3. 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 m 2 /m 3

15 Spirale avvolta Alimento Concentrato Alimento attraverso rete spaziatrice Permeato Anti telescoping devices Tubo di raccolta del permeato Membrana Spaziatore Membrana Spaziatore raccolta permeato Rete spaziatrice Concentrato

16 Spirale avvolta

17 Tubolari La membrana viene fissata allinterno di un tubo poroso, il fluido permea dallinterno verso lesterno 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 allinterno dei tubi molto alte. permeato grezza retentato

18 Permeato Filtrazione del permeato La filtrazione avviene grazie al gradiente di pressione che si crea fra linterno e lesterno della fibra cava con la pompa di filtrazione Il permeato viene convogliato allinterno della fibra e raccolto in testa al modulo Controlavaggio Si effettua un controlavaggio con un flusso di aria o permeato in direzione opposta a quella di filtrazione per ridurre problemi di fouling Aria- Permeato Fibra cava

19 Parametri operativi Concentrazione dellalimento TMP Turbolenza vicino alla superficie della membrana, ottenuta tramite sforzi di taglio indotti dalla velocità tangenziale o tramite promotori di turbolenza allinterno del sistema Temperatura

20 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/m 3 ) Elevata TMP e flusso specifico ( P =1-5 bar, J = L/(h m 2 )) Controllo del Fouling attraverso unelevata 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 ( kWh/m 3 ) Bassa TMP e flusso di permeato ( P = bar, J = L/(h m 2 )) Controllo del Fouling con immissione di bolle daria sulla superficie delle membrane (air-lift) Confronto fra le due soluzioni

21 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. Letà del fango è molto alta ( > 30 d ), ciò consente la crescita di microrganismi a tasso di crescita molto basso allinterno del bioreattore. Il valore massimo di concentrazione del fango può essere calcolato nelle ipotesi di SRT tendente allinfinito. MBR, principali vantaggi

22 Problemi… Se la concentrazione di solidi sospesi nella miscela aerata aumenta decresce il flusso specifico di permeato: In particolare nei sistemi side-stream laumento di viscosità dovuta alla concentrazione del fango può incrementare le perdite di carico idraulico e quindi le spese energetiche; Lincremento 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.

23 Qualità delleffluente di acque reflue civili Efficienze di rimozione comprese fra il 90% ed il 97%. Leffluente 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.

24 Qualità delleffluente 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 linibizione dei nitrificanti. Ottimi risultati sono stati ottenuti nelleliminazione 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 -1 COD d -1.

25 Fouling è il termine generico utilizzato per indicare un processo che determina lincremento della resistenza al moto di permeazione attraverso la membrana. Ciò è dovuto alladsorbimento 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, CaCO 3 ), 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. Il fouling

26 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 lincremento della velocità di cross-flow nei sistemi side-stream e con laerazione nei caso di membrane immerse.

27 Il costo più significativo è indubbiamente quello delle membrane. Tale componente è proporzionale alla dimensione dellimpianto e non decresce per unità di carico come nel caso dei trattamenti tradizionali. Attenzione alla variazione delle portate (tempo umido / tempo secco). Analisi di costo

28 Effluentechiariflocculazione Effluente pilota MBR EffluenteOzonizzazione 0,0900,0740,070 Abs. a 420 nm Esempio: Rimozione colore acque tessili

29 Esempio: aggiunta PAC IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI Reattore biologicoSedimentatore secondario Migliorare la stabilità del sistema durante gli shock di carico attraverso ladsorbimento Incrementare la rimozione del COD attraverso ladsorbimento dei composti organici non biodegradabili Migliorare la rimozione del colore Migliorare la sedimentazione e la disidratazione del fango Favorire lo sviluppo dei microrganismi: 1.Adsorbendo le sostanze che potrebbero risultare tossiche o inibenti; 2.Fornendo una superficie su cui crescere. Il mantenimento del letto di carbone in un impianto tradizionale a fanghi attivi COSTOSO perchè un impianto tradizionale a fanghi attivi generalmente lavora con valori delletà del fango bassi DIFFICILE perché parte del carbone attivo può essere persa con il chiarificato Luso di carboni attivi in un impianto MBR può risultare particolarmente VANTAGGIOSO PAC

30 Senza carbone attivo STABILITÀ DEL SISTEMA Carbone in concentrazione 1,5 g/L Carbone in concentrazione 3 g/L Ridotta variabilità della qualità del refluo in uscita in presenza di carbone attivo in polvere Esempio: aggiunta PAC

31 Grazie per lattenzione


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