Introduzione all'MBR

1. Cosa sono i bioreattori a membrana?

La filtrazione a membrana ha un ruolo importante nel trattamento dell'acqua e delle acque reflue, che è superiore alle tecnologie idriche convenzionali con prestazioni comprovate migliori e costi più efficienti. I processi di base a membrana sono microfiltrazione (MF), ultrafiltrazione (UF), nanofiltrazione (NF), osmosi inversa (RO). Gli intervalli di separazione per tali membrane sono i seguenti: da 100 a 1000 nm per MF, da 5 a 100 nm per UF, da 1 a 5 nm per NF e da 0,1 a 1 nm per RO.  Negli ultimi 10 anni gli MBR sono emersi come un'efficace tecnologia di trattamento secondario utilizzando membrane nella gamma MF e UF.

Fig.1, Classificazione delle membrane in base alla dimensione dei pori

I processi (MBR) di un bioreattore a membrana vengono utilizzati principalmente per il trattamento delle acque reflue (WWT) utilizzando la microfiltrazione (MF) o l'ultrafiltrazione (UF) e integrandoli con un processo biologico come una crescita sospesa bioreattore. Le membrane vengono utilizzate come filtro rimuovendo i solidi che si sviluppano durante il processo biologico, ottenendo un prodotto limpido e privo di agenti patogeni. Un esempio visivo può essere trovato dalla seguente immagine di un MBR immerso (iMBR) nella Figura 2.

Fig.2, Le acque reflue passano attraverso un vaglio sottile per la rimozione di oggetti di grandi dimensioni che potrebbero causare danni alle apparecchiature a valle. Quindi entra in una zona anossica per il trattamento delle sostanze azotate e dei fosfati, seguita da una zona aerobica in cui i microrganismi, con l'aiuto dell'ossigeno proveniente dall'FBD, digeriscono la materia organica nelle acque reflue e si aggregano mentre lo fanno, producendo un fango. Questo fango entrerà nel bioreattore a membrana immersa dove la membrana separerà  i solidi e i microrganismi dall’acqua.

Un bioreattore a membrana è essenzialmente un sostituto del tradizionale sistema a fanghi attivi (CAS) per il serbatoio di decantazione per la separazione solido/liquido. L'MBR offre all'utente finale un migliore controllo del processo e una qualità dell'acqua prodotta molto migliore.

Il processo MBR funziona su una gamma di parametri notevolmente diversa rispetto al processo a fanghi attivi convenzionale

• SRT 5 -20 giorni per sistema convenzionale - 20 -30 giorni per MBR
• F/M 0,05 -1,5 d-1per sistema convenzionale - < 0,1 d-1 per MBR
• MLSS 2.000 mg/L per processo convenzionale - 5.000 -20.000 mg/L per MBR

In generale gli MBR hanno tre distinte configurazioni di membrana (Fig.3),

1. lamiera piana (FS)
2. fibra cava (HF)
3. multitubo (MT)

Fig. 3, configurazioni della membrana MBR, A) Fibra cava, B) Multitubo, C) Lamiera piana

1. Applicazioni MBR

Gli MBR sono generalmente un'opzione preferita quando,

1. Lo spazio è limitato
2. L'utente finale richiede acqua trattata di alta qualità (ad esempio per il riutilizzo dell'acqua)

Le normative ambientali sempre più rigorose insieme alla diminuzione del CAPEX e dell'OPEX dell'MBR hanno portato a un aumento delle installazioni e delle dimensioni in tutto il mondo. Gli MBR sono stati ora implementati in più di 200 paesi in tutto il mondo con un numero di impianti di capacità superiore a 4.200 m³/giorno e i loro tassi di crescita fino al 15% sono regolarmente riportati in varie analisi di mercato.

Di solito la tecnologia MBR viene applicata a quelle acque reflue con un contenuto di carbonio organico facilmente biodegradabile. Quest'ultimo è particolarmente vero quando si tratta del settore alimentare e delle bevande che ha fatto un ampio uso delle tecnologie MBR.

Anche i mercati delle acque reflue che contengono contenuti scarsamente biodegradabili (ad esempio percolato di discarica ed effluenti farmaceutici) hanno visto una crescita di MBR a causa dei lunghi tempi di ritenzione dei solidi (SRT) che consentono un trattamento biologico migliore rispetto a quello dei processi biologici convenzionali.

Le acque che contengono olio in sospensione (vegetale o minerale) richiedono un pretrattamento (ad esempio separazione tramite piastre, flottazione con aria disciolta o entrambi) per proteggere la membrana.

Sebbene il mercato globale dell'MBR sia dominato principalmente da alcune grandi aziende, il numero di fornitori di tecnologia continua a crescere, con oltre 70 prodotti di moduli a membrana MBR disponibili oggi sul mercato.

In generale gli MBR sono stati applicati per trattare gli effluenti in numerosi settori industriali, come:

1.      cibo e bevande &meno; alto contenuto di carico organico

2. industria petrolifera &meno; settori dell'esplorazione, della raffinazione e petrolchimico

3.      farmaceutico settore - contengono ingredienti farmaceutici attivi (API)

4.      industria della pasta di legno e della carta − alti livelli di solidi sospesi, COD e BOD

5.      effluenti dell'industria tessile − ribiodegradabilità, tossicità, contenuto di FOG e colore

6. percolato di discarica − ampia varietà di composti organici e inorganici disciolti e sospesi

7.      effluenti delle navi &meno; requisiti legislativi e limitazioni di spazio.

8.      Trattamento industriale e trattamento municipale

 

3. Quali sono i vantaggi degli MBR?

È generalmente riconosciuto che i bioreattori a membrana presentano numerosi vantaggi rispetto ad altre tecnologie per le acque reflue,

• I.    Controllo indipendente di HRT e SRT
• II.   Effluente di alta qualità
• III.  Ingombro ridotto
• IV.  Biotrattamento migliorato.
• V.   Controllo indipendente di HRT e SRT
• VI.  OPEX MBR

I.    Controllo indipendente di HRT e SRT

Poiché i solidi biologici (liquori misti o fanghi) sono completamente contenuti nel bioreattore, ciò consente di controllare il tempo di ritenzione dei solidi (SRT) indipendentemente dal tempo di ritenzione idraulica (HRT). Nel processo CAS, i solidi flocculanti ("flocs") che costituiscono essenzialmente la biomassa devono poter crescere di dimensioni fino al punto in cui possono essere depositati nel chiarificatore secondario. Quindi in CAS l'HRT e l'SRT sono collegati; all'aumentare della HRT, i fiocchi devono crescere, il che aumenta la loro sedimentabilità.

II.   Effluente di alta qualità

Con i pori della membrana dell'MBR di piccole dimensioni (<0,5), l'effluente trattato ha una trasparenza molto elevata e una concentrazione di agenti patogeni significativamente ridotta rispetto al processo CAS. L'effluente ha una qualità sufficientemente elevata da essere scaricato in corpi idrici o utilizzato per applicazioni quali l'irrigazione urbana, i servizi pubblici o lo scarico dei WC. Può anche essere alimentato direttamente ad un processo di osmosi inversa per ottenere un permeato di qualità dell'acqua ancora più elevata.

III.  Ingombro ridotto

CAS ha una HRT elevata che comporta la necessità di una dimensione dell'impianto maggiore. Negli MBR, a causa delle maggiori concentrazioni ottenute, la stessa massa totale di solidi è contenuta in un volume più piccolo, quindi l'impronta è minore.

IV.  Migliore biotrattamento

Gli MBR hanno un SRT più elevato che tende a fornire un biotrattamento complessivo migliore poiché incoraggia lo sviluppo di microrganismi a crescita più lenta, in particolare i nitrificanti. Questo fatto rende gli MBR molto efficaci nella rimozione biologica dell'ammoniaca ("nitrificazione").

V.   Quali sono gli svantaggi degli MBR?

I principali svantaggi di un MBR sono la complessità del processo operativo e il costo che si traduce in CAPEX e OPEX.

Entrambi questi ultimi sono molto sensibili al costo della membrana. L'OPEX è inoltre sensibile a,

• la vita della membrana
• flusso permeato
• la velocità di pulizia dell'aria della membrana (energia di pulizia dell'aria)

VI.   OPEX MBR

In generale, gli elementi principali che influenzano sull'OPEX dell'MBR includono:

1. costo della membrana/m² superficie della membrana
2. vita della membrana in anni
3. flusso netto di permeato (flusso prodotto/area unitaria), tenendo conto dei tempi di inattività e dell'utilizzo dell'acqua prodotta per la pulizia della membrana
4. domanda di aerazione specifica della membrana (SADm) in Nm³/m² area della membrana/h. Nm³ è il volume d'aria a una temperatura di 20°C e 1 bar di pressione.
5. costi del terreno/m² superficie terrestre
6. costo energetico/kWh
7. valore del miglioramento della qualità dell'acqua

 (7) non è facilmente quantificabile, ma può essere tradotto in un'impronta ambientale quantitativa attraverso l'analisi del ciclo di vita.

 

1. Valutazione CAS vs MBR

Affinché CAS possa produrre un effluente con la stessa qualità dell'acqua di quella dell'MBR, potrebbe essere necessario tutto o alcuni dei seguenti elementi:

1. aumento delle dimensioni dei serbatoi (e quindi un'area terrestre di grandi dimensioni) per la terapia ormonale sostitutiva estesa
2. aumento del dosaggio chimico per ottenere un'elevata concentrazione di fosforo (P)
3. post-trattamento con un filtro multimediale (MMF) o ultrafiltrazione/microfiltrazione (UF/MF) per ottenere una qualità dell'acqua trattata paragonabile all'MBR con riferimento ai solidi sospesi (SS) e alla concentrazione di microrganismi.

Per gli impianti esistenti, l'adeguamento con un MBR è determinato dall'area disponibile. Ciò consente di migliorare la qualità dell'acqua trattata e/o aumentare la capacità del flusso anche se con una maggiore domanda di energia.

1. Configurazioni MBR

La filtrazione su membrana MBR ha due configurazioni principali; 1) membrane a vuoto immerse direttamente nel bioreattore (iMBR) e 2) filtrazione a pressione in MBR a flusso laterale (sMBR) (Fig.4).

Fig.4, Principali configurazioni MBR commerciali; (A) MBR immerso, (B) MBR Sidestream

Gli MBR necessitano di una forza di taglio sulla superficie della membrana per evitare l'intasamento della membrana dovuto al contenuto delle acque reflue ed è fondamentale per mantenere il flusso di permeato desiderato.

Quando un flusso di aria/liquido scorre parallelo alla superficie della membrana crea una forza di taglio che aiuta a limitare il grado di incrostazione su quest'ultima (Fig.5).

Fig.5, Utilizzo delle bolle d'aria derivanti dall'aerazione per pulire la superficie delle membrane MBBR

Proprio per questo motivo i processi immersi utilizzano l'aerazione nel bioreattore, ma gli MBR sidestream devono utilizzare il pompaggio, come con la maggior parte degli altri processi a membrana. Questa differenza nelle richieste energetiche spiega la posizione dominante sul mercato della configurazione iMBR.

Anche l'incrostazione negli sMBR è più elevata a causa del pompaggio di fanghi attivi che aumenta lo stress di taglio sui fiocchi microbici, provocandone la disgregazione, con conseguente diminuzione delle dimensioni delle particelle e rilascio di materiale incrostante.

Le configurazioni MBR hanno tre principali configurazioni di membrana attualmente utilizzate nella pratica,

1. lamiera piana (FS)
2. fibra cava (HF)
3. multitubo o multicanale (MT/MC)

Sebbene gli sMBR consumino più energia degli iMBR, offrono una serie di vantaggi:

a.   fabbisogno di area di membrana ridotto, grazie al funzionamento a flusso più elevato

b. Flessibilità operativa per il funzionamento e l'apprendimento ciclo di pulizia; a differenza dell'IMBR, la pulizia chimica in situ delle membrane può essere eseguita senza alcun rischio chimico per la biomassa

c. i costi di manutenzione e di fermo impianto, in particolare per la sostituzione del modulo a membrana, sono generalmente leggermente inferiori; i moduli sono facilmente accessibili e quindi possono essere sostituiti in tempi molto più brevi rispetto alle membrane immerse

d. I moduli a membrana possono essere messi in linea e fuori linea in base al carico idraulico

E.  è possibile il funzionamento con concentrazioni di solidi più elevate

f.  il funzionamento con una richiesta di energia inferiore è possibile se la pressione e le portate sono ridotte o se le membrane sono configurate per il funzionamento con sollevamento d'aria, anche se ciò richiede una maggiore area della membrana

Per piccoli flussi di effluenti difficili da trattare, l'sMBR è spesso predominante grazie al suo funzionamento semplice, all'ingombro ridotto e alla manutenzione più semplice, soprattutto quando si tratta di sostituzione della membrana. Per impianti molto grandi, l'iMBR viene sempre selezionato con le membrane HF poiché l'OPEX è solitamente inferiore.

Per i flussi intermedi, solitamente scegliamo un iMBR HF o FS. La FS è più semplice da utilizzare, ma sia il costo della membrana/m² area che la richiesta di energia sono leggermente superiori rispetto alla configurazione HF.

Infine, sebbene la maggior parte degli sMBR utilizzi la configurazione classica della pompa, se le membrane sono disposte in serie secondo uno schema a serpentina, possono funzionare in modalità air-lift che ha una richiesta di energia quasi uguale a quella degli iMBR e quindi possono essere prese in considerazione per applicazioni per acque reflue municipali con il vantaggio di un ingombro inferiore e di un'efficace rimozione degli stracci. Le membrane però sono solitamente più costose di quelle immerse.

1. Funzionamento e manutenzione dell'MBR: incrostazioni, intasamenti e pulizie

Il declino della permeabilità negli MBR è causato principalmente dall'intasamento della membrana e dall'ostruzione dei canali della membrana:

1. Con "fouling" si intende il rivestimento della superficie della membrana o l'ostruzione dei pori della membrana con solidi disciolti, colloidali o fini. Viene normalmente rimosso dai cicli di pulizia fisica e chimica.
2. Con l'"intasamento" si intende l'agglomerazione di solidi grossolani all'interno o all'ingresso dei canali della membrana. L'intasamento all'interno dei canali viene talvolta definito "sludging".

Nel WWT municipale, a volte le membrane possono anche intasarsi di ‘stracci’ (o "trecce") formate da materia filamentosa aggregata (in particolare fibre tessili come il cotone idrofilo). Lo chiamiamo "ragging" o "intrecciatura".

Fig.6. Diminuzione della permeabilità negli MBR

La pulizia della membrana può essere fisica o chimica. La pulizia fisica rimuove i solidi grossolani attaccati alla superficie della membrana (incrostazione reversibile). La pulizia chimica rimuove il materiale più tenace (incrostazioni irreversibili).

1. La pulizia fisica viene normalmente eseguita mediante "backflushing"; (inversione del flusso di ritorno attraverso la membrana) che può essere migliorato dalla combinazione con l'aria o dal "rilassamento" (cessando la permeazione continuando a sgrassare la membrana con bolle d'aria). Queste due tecniche possono essere utilizzate in combinazione
2. La pulizia chimica utilizza solitamente ipoclorito di sodio (NaOCl), una sostanza chimica ossidativa, in combinazione con acidi minerali o organici (molto spesso acido citrico, C₆H₈O₇) senza rimuovere la membrana dal serbatoio o dallo skid (pulizia sul posto o CIP). Se la pulizia chimica è combinata con il controlavaggio, questo viene normalmente definito "backflush potenziato chimicamente". (CEB). I CEB vengono regolarmente eseguiti su base settimanale/mensile per gli iMBR HF.

La pulizia fisica è 1) generalmente rapida, 2) non richiede sostanze chimiche, 3) non genera rifiuti chimici e 4) ha meno probabilità di degradare la membrana. Tuttavia in alcuni punti è sempre necessaria la pulizia chimica in quanto rimane una resistenza residua che può essere definita "incrostazione irrecuperabile" che potrebbe accumularsi nel tempo e ridurre la durata della membrana.

La pulizia chimica che mira a recuperare la permeabilità richiede concentrazioni di reagenti più elevate e tempi di contatto più lunghi.

Né la pulizia fisica di routine né quella chimica possono contrastare l'intasamento, che richiede un intervento manuale (rimozione della membrana immersa dai serbatoi) per rimuovere il materiale agglomerato.

 Fig.7, procedure di pulizia fisica e chimica per la pulizia della membrana MBR