i bioreattori a membrane
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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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
I bioreattori a membrane
Claudio LubelloDipartimento Ingegneria Civile
Filtrazione su Membrana
Membrana
Separazione fisica di solidi sospesi, colloidali o disciolti da un mezzo liquido o gassoso.
Forza motrice:PRESSIONEPOTENZIALE ELETTRICOTEMPERATURAGRADIENTE DI CONCENTRAZIONECOMBINAZIONE DI DIVERSE FORZE MOTRICI
Alimento
QA, CA, PA
Permeato
QP, CP, PP
Concentrato
QC, CC, PC
QA
J P
Flusso permeato
A = area filtrante
100QQ
RRA
p
Fattore di recupero
Reiezione del soluto
C - CSR A
100C
SRA
Ap
Flusso di permeato
Rm
TMPJ k
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.
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
Effetto su alcuni parametri
Parametro MF UF NF ROBOD X X XDurezza X XMetalli X XNitrati X XInquinanti organici X X XComposti organici di sintesi X XTDS X XTSS X XBatteri X X X XProtozoi e uova di elminti X X X XVirus X X
Reattore biologico Sedimentatore secondario
PERMEATOPERMEATO
La biomassa è separata dall’acqua trattata grazie all’unità di filtrazione
costituita dalle membrane
Unità di filtrazioneUnità di filtrazione
Bioreattore a Membrana (MBR)Bioreattore a Membrana (MBR)IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI
I solidi ed i microrganismi sono separati dall’acqua trattata all’interno del
sedimentatore secondario
Configurazioni di MBRConfigurazioni di MBR
Q Qr
Q
UF/MF
Q+Qr
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.
Permeato Q
InfluentQ
Bioreattore
Membrane tank
Riciclo dei fanghiQr
Q+Qr
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
QUF/MF
2) Membrane sommersea) La separazione avviene all’interno dello stesso bioreattore, senza necessità di ricircolo
Configurazioni di MBRConfigurazioni di MBR
19891989[Yamamoto][Yamamoto]
20052005[Zenon , Kubota et al.][Zenon , Kubota et al.]
• • Oltre 1000 MBR nel mondo per un volume Oltre 1000 MBR nel mondo per un volume
complessivo prodotto > 60 ML/d ~90% con complessivo prodotto > 60 ML/d ~90% con membrane sommersemembrane sommerse
Direzione del flusso e meccanismi di fouling
Dead-end Flusso alimento
Flusso permeato
Flusso permeato
Spessore cake
tempoBassi consumi energetici
Alta velocità di accumulo
Veloce diminuzione di flusso
tempoFlusso permeato
Flusso alimento
Spessore cake
Flusso permeato
Cross-flow
Minore accumulo
Diminuzione di flusso più lenta
Alti consumi energetici per il ricircolo
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:
pcf P
PPTMP
2 In cui:Pf = pressione del flusso di alimentoPc = pressione del flusso di concentratoPp = pressione del flusso di permeato
Nel caso di filtrazione dead-end:Nel caso di filtrazione dead-end:
pf PPTMP
Andamento del flusso di permeatoIn 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).
• 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 ( = 40m). Rapporto sup/vol tra 1000 e 10000 m2/m3.
• 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
Alimento
Alimento
Concentrato
Alimento attraverso rete spaziatrice
Permeato
Anti telescoping devicesTubo di raccolta del permeato
MembranaSpaziatore
MembranaSpaziatore raccolta permeato
Rete spaziatrice
Rete spaziatrice
Concentrato
Spirale avvolta
Tubolari
La membrana viene fissata all’interno di un tubo poroso, il La membrana viene fissata all’interno di un tubo poroso, il fluido permea dall’interno verso l’esterno e viene raccolto da fluido permea dall’interno verso l’esterno e viene raccolto da un mantello che, nel caso di membrane inorganiche è un mantello che, nel caso di membrane inorganiche è costituito da un materiale poroso che fa da supporto a molti costituito da un materiale poroso che fa da supporto a molti tubi. I campi di applicazione di questi moduli sono molto vari, tubi. I campi di applicazione di questi moduli sono molto vari, sono usati soprattutto per fluidi carichi di solidi sospesi sono usati soprattutto per fluidi carichi di solidi sospesi potendo mantenere velocità all’interno dei tubi molto alte.potendo mantenere velocità all’interno dei tubi molto alte.
permeato
grezza
retentato
Permeato
Filtrazione del permeato
La filtrazione avviene grazie al gradiente La filtrazione avviene grazie al gradiente di pressione che si crea fra l’interno e di pressione che si crea fra l’interno e
l’esterno della fibra cava con la pompa di l’esterno della fibra cava con la pompa di filtrazione filtrazione
Il permeato viene convogliato all’interno Il permeato viene convogliato all’interno della fibra e raccolto in testa al modulodella fibra e raccolto in testa al modulo
Controlavaggio
Si effettua un controlavaggio con un Si effettua un controlavaggio con un flusso di aria o permeato in direzione flusso di aria o permeato in direzione
opposta a quella di filtrazione per ridurre opposta a quella di filtrazione per ridurre problemi di foulingproblemi di fouling
Aria-Permeat
o
Fibra cava
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
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)
Confronto fra le due Confronto fra le due soluzionisoluzioni
• 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.
d
outinSX
d
outinSX
KHRTSSYX
SRTKSRT
SRTHRT
SSYX
max
max
max
for 1
Il valore massimo di concentrazione del fango può essere calcolato nelle ipotesi di SRT tendente all’infinito.
MBR, principali vantaggiMBR, principali vantaggi
Problemi…Problemi…• Se la concentrazione di solidi sospesi nella miscela aerata aumenta decresce il flusso specifico di permeato:
• 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.
bMLSSaLogbarTMP
hmlJLP )()//( 2
Qualità dell’effluente di acque reflue Qualità dell’effluente di acque reflue civilicivili
• 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 Qualità dell’effluente di scarichi industrialiindustriali
•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.
“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.
Il foulingIl fouling
Sistemi di controllo del foulingSistemi 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.
• 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.
•Attenzione alla variazione delle portate (tempo umido / tempo secco).
Analisi di costoAnalisi di costo
Effluente Effluente chiariflocculazionechiariflocculazione
EffluenteEffluentepilota MBRpilota MBR
EffluenteEffluenteOzonizzazioneOzonizzazione
0,0900,090 0,0740,074 0,0700,070Abs. a 420 nmAbs. a 420 nm
Esempio: Rimozione colore acque tessili
Esempio: aggiunta PAC
IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI
Reattore biologico Sedimentatore secondario
Migliorare la stabilità del sistema durante gli shock di carico attraverso l’adsorbimento
Incrementare la rimozione del COD attraverso l’adsorbimento 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 dell’età del fango bassi
DIFFICILE perché parte del carbone attivo può essere persa con il chiarificato
L’uso di carboni attivi in un impianto MBR può risultare particolarmente VANTAGGIOSO
PACPAC
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25<6
7
67-6
8
68-6
9
69-7
0
70-7
1
71-7
2
72-7
3
73-7
4
74-7
5
75-7
6
76-7
7
77-7
8
78-7
9
79-8
0
80-8
1
81-8
2
82-8
3
83-8
4
84-8
5
85-8
6
86-8
7
87-8
8
88-8
9
Abbattimenti del COD [%]
Freq
uenz
e re
lativ
e
i Senza carbone attivo Concentrazione carbone attivo 1,5g/L Concentrazione carbone attivo 3g/L
Senza carbone attivo
STABILITÀ DEL SISTEMA
Carbone in concentrazione 1,5 g/L
Carbone in concentrazione 3 g/LRidotta variabilità della qualità del refluo in
uscita in presenza di carbone attivo in polvere
Esempio: aggiunta PAC
Grazie per l’attenzione