Le prospettive di sviluppo e upgrading dei bioreattori a membrana 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 Notevole sviluppo di impianti a medio-larga scala (>2000 m3/d) per il trattamento municipale delle acque di scarico in Europa Swanage, (UK) (2000) 13,000 m3/d (Kubota) ASM Brescia (2002): 42,000 m3/d (Zenon) Kaarst (DE) (2003): 45,000 m3/d (Zenon) Westbuty (UK) (2002) 3,500 m3/d (Kubota) Buxton (UK) (2004) 10,000 m3/d (Zenon) Varsseveld (NL) (2004) 18,000 m3/d (Zenon) (Melin et al., 2006) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR: stato dell’arte Filtration Industry Analyst, Novembre 2005: fino a 1000 nuovi impianti MBR verranno costruiti annualmente (*) Il mercato MBR cresce con un tasso annuo del 10.9% Il mercato MBR è soprattutto in mano a produttori non europei. Globalmente > 2200 installazioni MBR operative o in costruzione (*) Global Market ($ Millions) Stima 2010: 363 milioni US$ (* Yang et al., 2006) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Costi di energia 0.05 euro/1 kWh MBR: costi energetici Costo membrane (6 anni durata) Euro/m3 acqua trattata Costi di energia 0.05 euro/1 kWh Sistema Consumo kWh.m-3 Costo Euro/m3 Esterne 1-3 0.05-0.15 Immerse (controllo fouling) 0.1-0.3 0.005-0.015 Aerazione 0.3-0.6 0.015-0.03 Membrane euro/m2 Flusso l.m-2h-1 10 50 100 40 0.08 0.016 0.008 80 0.16 0.032 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) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR: costo delle membrane * * Yoon et al., 2004 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR: aspetti da migliorare 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

La maggior parte delle recenti ricerche su MBR: Problema del fouling Come si muove la ricerca MBR a livello mondiale… 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) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Priorità EC in tema trattamento delle acque 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) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Avanzamenti negli aspetti ingegneristici dei processi CALL: SUSTDEV-2004 Advances in membrane bio-reactor technologies for municipal wastewater treatment 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Progetti europei Approvati AMEDEUS EUROMBRA MBR-TRAIN 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Progetti AMEDEUS ed EUROMBRA 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

EUROMBRA ed AMEDEUS: obiettivi specifici Molte piccole bolle meglio di poche grandi? La dimensione ottimale deve ancora essere trovata Suction Pressure Rise dTMP/dt controllo del fouling e clogging sia a micro che macro scala utilizzo di flocculanti, enzimi agenti adsorbenti sviluppo di sensori on-line, misure fotometriche, etc incremento dei flussi con agenti contro il fouling organico ottimizzazione dell’aerazione per: favorire o mantenere la bioattività prevenire il fouling rimuovere il fouling impatto di picchi di carico modellizzazione biologica degli MBR valutazione dei possibili impatti sulla speciazione e diversità microbica Malpei, Buttiglieri, Ferraris

EUROMBRA ed AMEDEUS: obiettivi specifici Convenzionale MBR Da approfondire le differenze MBR-convenzionale analisi del comportamento a lungo termine della permeabilità e aspetti idrodinamici analisi della dimensione granulometrica e analisi chimiche del particolato (EPS, SMP, etc) impatto della geometria del reattore influenza del tempo di contatto tra acqua e fango sviluppo di tecnologie innovative di pulizia dei moduli filtranti MBR e ottimizzazione impatto della sedimentazione primaria, trasferimenti di massa e calibrazione dei parametri ASM valutazione dello smaltimento dei fanghi Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR – TRAIN: progetti europei 1/2 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, cut-off, morfologia superficiale, etc.) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR – TRAIN: progetti europei 2/2 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Sviluppi futuri del sistema MBR Rimozione di sostanze pericolose ed endocrine-disrupters 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Sostanze pericolose ed endocrine-disrupters 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) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Rimozione di sostanze pericolose negli MBR 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Rimozione di sostanze pericolose negli MBR 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Rimozione di sostanze farmaceutiche negli MBR In relazione alla struttura molecolare riscontrate tre categorie: Rimosse sia dai convenzionali che MBR (ad es. ibuprofen) Non efficacemente rimosse (ad es. acido clofibrico, dichlorop, etc) Rimossi efficacemente da MBR ma non da convenzionale (ketoprofene, acido mefenamico, naprossene, etc) (Kimura et al., 2005; Urase et al., 2005) Concentrazione out (ng/l) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Rimozione di tensioattivi negli MBR In talune condizioni ottima rimozione tensioattivi anionici (94% *) Necessaria attenzione alla tossicità dei residui recalcitranti (*Dhouib et al., 2005) (Terzic et al., 2005, Petrovic et al., 2003) Acqua reflua MBR rimozione 87% Convenzionale rimozione 74% Acidi nonilfenolcarbossilici (NPnEC) Nonilfenolo (NP) Nolilfenoli mono e di-etossilati (NP1EO + NP2EO) Nonilfenoli polietossilati (NPnEO) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Rimozione di atrazina negli MBR Politecnico di Milano, 2005 Sperimentazione Febbraio-Novembre 2005 Q 250 l/d SST MBR 5,6-6,9 gSST/l Carico COD 0,125 gCOD/(gSST*d) C/N 1,4-1,8 gC/gN Atrazina IN 10 mg/l Carico atrazina 1.79 mgATR/(gSST*d) Prove di Adsorbimento su MBR e convenzionale C iniziale (mg/l) q/m (mg/gSS) MBR Gavirate 5 0.218 0.000 10 0.840 20 2.019 0.951 50 4.402 3.583 100 16.536 14.937 > adsorbimento MBR Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Rimozione di atrazina negli MBR Politecnico di Milano, 2005 Rimozione impianto Pilota MBR Rimozione > solo adsorbimento Ridotta degradazione? Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR per la rimozione dei metalli IN (mg/l) OUT (mg/l) Rimozione (%) As 2 0.7 65.0 Hg 7.95 0.5 93.7 Cu 53.9 2.2 95.9 Pb 9.6 2.5 74 Cd <0.25 >50 Ni 8.65 1.8 79.2 Cr 18.5 4.7 74.6 Zn 461 <50 >90.2 Fe 1766 >97.2 Al 1592 >96.9 Fatone et al., 2005 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR per la rimozione dei nitrati su acque destinate ad scopo potabile Politecnico di Milano, 2005 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR per la rimozione dei nitrati su acque destinate ad scopo potabile TMP: Funzionamento regolare Politecnico di Milano, 2005 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Impianto dimostrativo MBR reflui suinicoli (Rovere) MBR per la rimozione di reflui industriali concentrati (in campo agro-industriale) Impianto dimostrativo MBR reflui suinicoli (Rovere) Caratteristiche del permeato: SST < 10 mg/l Colore: rimozione elevata Odore: totalmente assente Rimozione carica microbica IN UFC/100ml OUT Rimozione (log) T. Coli 17.200.000 3,5 6,69 F. Coli 15.050.000 2 6,88 E. Coli 14.100.000 1 7,15 possibile il riuso Rozzi - Malpei 2003 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

} →Ottime rimozioni COD e ammoniaca Trattamento reflui industriali concentrati (percolato) con sistema MBR-MBBR Alta biodegradabilità per alte età del fango } COD: 0.1 – 100 g l-1 Azoto ammoniacale: 0.1 – 5 g l-1 Ossidazione dell’ammoniaca arrestata a nitrito →Ottime rimozioni COD e ammoniaca influente Canziani - Malpei, 2004 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Sistemi avanzati MBR 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR in ambiente anaerobico 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR in ambiente anaerobico 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR in ambiente anaerobico Esperienza in Italia condotta dall’ENEA in collaborazione con IRSA-CNR 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 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR in ambiente anaerobico 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 148 574 223 Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR in ambiente anaerobico 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) Malpei, Buttiglieri, Ferraris

MBR in ambiente anaerobico Malpei, Buttiglieri, Ferraris