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Trattamento reflui e rifiuti di cantina
DocenteFrancesco Fatone
- Lezione 8 -
DocenteFrancesco Fatone
Anno Accademico
2009-2010
Applicazione dibioreattori a membrana
(MBR)
Lezione 8-Trattamento reflui 2
Applicazione dibioreattori a membrana
(MBR)
Carico organico di 10 kg CODper m3 di vino o 7 kg per ton diuva trattata
0,2 – 6 litri per litrodi vino prodotto
50-60% del carico concentrato in3-4 mesi
3Lezione 8-Trattamento reflui
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
set-01 gen-02 giu-02 nov-02 apr-03 set-03 feb-04 lug-04
months
Flow rate (m3/d)COD LOAD (kg/d)
hy
0
5000
10000
15000
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25000
30000
set-01 gen-02 giu-02 nov-02 apr-03 set-03 feb-04 lug-04
months
Flow rate (m3/d)COD LOAD (kg/d)
hy
Media settimanale 2001-2004 (base 2,500 kg/d COD)
4Lezione 8-Trattamento reflui
Normalmente trattati in sistemi a fanghiattivi convenzionali
Rimozione del COD del 90-95% …. Quindi COD effluente anche a livelli di500-1,000 mg/L COD Alte richieste di ossigeno Reflui sbilanciati (C:N > 30) e variabili: cattiva sedimentazione e fuga disolidi…
5Lezione 8-Trattamento reflui
Nei sistemi a fanghi attivi convenzionali le caratteristichedi sedimentazione determinano il risultato del processo
Direttamente
IndirettamenteRidotta elasticità di processo in relazione al vincolo della“salvaguardia” delle prestazioni dei sedimentatori
Solidi nell’effluente, quindi scarsa qualità !
6Lezione 8-Trattamento reflui
BioreattoreSedimentatore
PERMEATOPERMEATO
BioreattoreBioreattore a membrana (MBR)a membrana (MBR)
7Lezione 8-Trattamento reflui
“immerse”
Alloggiamento dei moduli filtranti
Lezione 8-Trattamento reflui 8
“side-stream”
MICROFILTRAZIONESolidisospesi
Batteri
Emulsioni
Macromo-lecole
Colloidi
Virus
Proteine
Compostibasso P.M.
ioni
ULTRAFILTRAZIONE
Membrane utilizzate in MBRMembrane utilizzate in MBR
NANOFILTRAZIONE
OSMOSI INVERSA
Solidisospesi
Batteri
Emulsioni
Macromo-lecole
Colloidi
Virus
Proteine
Compostibasso P.M.
ioni
9
Fangoattivo
Permeatoda UF
Effluente dasedimentatoreconvenzionale
Lezione 8-Trattamento reflui
Vantaggi e svantaggi degli MBR
• Piccolo ingombro (X elevato Vbioreattore piccolo !)
• Rimozione completa dei solidisospesi dall’effluente
• Disinfezione dell’effluente• Bassa produzione di fango di
supero• Possibilità di operare
trascurando i problemi legati allasedimentabilità del fango
• Possibilità di operare ad elevateetà del fango
• Possibilità di operare ad elevateconcentrazioni di biomassa
• Caratteristiche modulari• Riutilizzo dell’effluente senza
ulteriori trattamenti
• Limitazioni nell’aerazione• Sporcamento della membrana• Costi
VANTAGGI SVANTAGGI• Piccolo ingombro (X elevato V
bioreattore piccolo !)• Rimozione completa dei solidi
sospesi dall’effluente• Disinfezione dell’effluente• Bassa produzione di fango di
supero• Possibilità di operare
trascurando i problemi legati allasedimentabilità del fango
• Possibilità di operare ad elevateetà del fango
• Possibilità di operare ad elevateconcentrazioni di biomassa
• Caratteristiche modulari• Riutilizzo dell’effluente senza
ulteriori trattamenti
10Lezione 8-Trattamento reflui
Consente di progettare con logiche tese al riutilizzo della risorsaidrica a diversi livelli di qualità:
11
Blocher et al., (2002), Desalination 144, 143-150
Lezione 8-Trattamento reflui
0
100
200
300
400
500
1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005
anno
Cost
o m
embr
ane
$ al
m2
Alti costi di investimento ma in forte decrescita
Lezione 8-Trattamento reflui 12
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1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005
anno
Cost
o m
embr
ane
$ al
m2
CLASSIFICAZIONE DELLEMEMBRANE
13Lezione 8-Trattamento reflui
Definizione di membrana
Una membrana può essere intesa come unabarriera fisica attraverso la quale alcunesostanze possono passare più facilmenterispetto ad altre.
La proprietà di selettività di una membrana èalla base della progettazione e della scelta delprocesso che si intende applicare.
Una membrana può essere intesa come unabarriera fisica attraverso la quale alcunesostanze possono passare più facilmenterispetto ad altre.
La proprietà di selettività di una membrana èalla base della progettazione e della scelta delprocesso che si intende applicare.
14Lezione 8-Trattamento reflui
Classificazione delle membrane
La classificazione delle membrane industriali puòessere fatta secondo tre caratteristicheprincipali:
1. Il tipo di forza spingente utilizzata percondurre la filtrazione;
2. La dimensione dei pori del filtro;3. Il tipo di materiale di fabbricazione.
La classificazione delle membrane industriali puòessere fatta secondo tre caratteristicheprincipali:
1. Il tipo di forza spingente utilizzata percondurre la filtrazione;
2. La dimensione dei pori del filtro;3. Il tipo di materiale di fabbricazione.
15Lezione 8-Trattamento reflui
Tipo di forza che guida il processo
• Gradiente di pressione (ΔP) tra l’interno el’esterno della membrana: utilizzata inprocessi di microfiltrazione (MF),ultrafiltrazione (UF), nanofiltrazione (NF),osmosi inversa (RO).
• Gradiente di campo elettrico (ΔE):elettrodialisi
• Gradiente di concentrazione (ΔC): dialisi
• Gradiente di pressione (ΔP) tra l’interno el’esterno della membrana: utilizzata inprocessi di microfiltrazione (MF),ultrafiltrazione (UF), nanofiltrazione (NF),osmosi inversa (RO).
• Gradiente di campo elettrico (ΔE):elettrodialisi
• Gradiente di concentrazione (ΔC): dialisi
16Lezione 8-Trattamento reflui
Grado di “porosità” superficialeLe membrane si distinguono in:
• Dense (dimensione dei pori fino a 1,0 nm): il processo diseparazione per le membrane dense è guidato dal grado diinterazione chimico-fisica tra i componenti da filtrare ed ilmateriale di fabbricazione, ovvero dal grado di selettività(capacità di permeazione è definita anche in base al pesomolecolare di “cut-off” (MWCO) del soluto espresso in Dalton)
• Porose (dimensione dei pori tra 1 nm e 10 µm): realizzano laseparazione meccanicamente con processi molto simili allafiltrazione convenzionale (NB: il processo di filtrazione è funzionedella sola dimensione delle particelle sospese presenti !!!)
Le membrane si distinguono in:
• Dense (dimensione dei pori fino a 1,0 nm): il processo diseparazione per le membrane dense è guidato dal grado diinterazione chimico-fisica tra i componenti da filtrare ed ilmateriale di fabbricazione, ovvero dal grado di selettività(capacità di permeazione è definita anche in base al pesomolecolare di “cut-off” (MWCO) del soluto espresso in Dalton)
• Porose (dimensione dei pori tra 1 nm e 10 µm): realizzano laseparazione meccanicamente con processi molto simili allafiltrazione convenzionale (NB: il processo di filtrazione è funzionedella sola dimensione delle particelle sospese presenti !!!)
17Lezione 8-Trattamento reflui
Processi di filtrazione con applicazione di ungradiente di pressione (Pressure Driven Processes)
ProcessoDimensione dei pori
(μm)MWCO
(Da)
Osmosiinversa 0.0001 < 100
Nano-filtrazione 0.001 200Nano-filtrazione 0.001 200
Ultra-filtrazione 0.01 20000
Micro-filtrazione 0.1 500000
18Lezione 8-Trattamento reflui
MICROFILTRATIONSuspendedSolids
Bacteria
Emulsions
Macro-molecules
Colloids
Virus
Proteins
Low MW
Ions
ULTRAFILTRATION
Lezione 8-Trattamento reflui 19
NANOFILTRATION
REVERSE OSMOSIS
SuspendedSolids
Bacteria
Emulsions
Macro-molecules
Colloids
Virus
Proteins
Low MW
Ions
Caratteristiche e applicazioni:microfiltrazione (MF)
Processo a bassa pressione (1÷5 bar) usato per la separazione deisolidi sospesi. In genere si usa la filtrazione a flusso tangenziale (v=1÷8 m/s) , ma oggi anche dead-end
Campi di applicazione: chiarificazione secondaria; trattamentoterziario, riutilizzo-idrico (come pre-trattamento),pretrattamento per RO, trattamento del percolato,disinfezione
20Lezione 8-Trattamento reflui
Caratteristiche e applicazioni:ultrafiltrazione (UF)
La tecnica utilizzata è per lo più quella dead-end ed è unprocesso a bassa pressione (<1-7 bar). Rimuovono solidisospesi e macromolecole
Campi di applicazione: riutilizzo delle acque, trattamento delpercolato, disinfezione, irrigazione, pretrattamento per RO
21Lezione 8-Trattamento reflui
Ultrafiltrazione per riutilizzo industriale: industria alimentare
Il refluo proveniente da una industria alimentare (Q=120 m3/h) vuole essere riutilizzato comeacqua di raffreddamento per i processi industriali (al posto dell’ acqua potabile). Il trattamentodi ultrafiltrazione non riesce ad eliminare i Sali (Na+ e Cl-), dunque è necessario aggiungere unostep di osmosi inversa.
22Lezione 8-Trattamento reflui
Caratteristiche e applicazioni: osmosi inversa
Processo ad alta pressione (30-80 bar) usato per la separazione fino allesostanze ioniche in soluzione. La pressione osmotica è direttamenteproporzionale al gradiente di concentrazione.
Campi di applicazione: potabilizzazione di acque di superficie e saline
23Lezione 8-Trattamento reflui
Materiali di fabbricazione
Le membrane possono essere di materiali:• Organici: per lo più polimerici (PTFE=poli tetra
fluoroetilene, polipropilene, poliammide,acetato di cellulosa, polisolfone etc.). Inquesto caso la “membrana” è un film sottile, ilresto è supporto !!!
• Inorganici: ceramici o metallici (biossido dititanio, biossido di zircone)
Le membrane possono essere di materiali:• Organici: per lo più polimerici (PTFE=poli tetra
fluoroetilene, polipropilene, poliammide,acetato di cellulosa, polisolfone etc.). Inquesto caso la “membrana” è un film sottile, ilresto è supporto !!!
• Inorganici: ceramici o metallici (biossido dititanio, biossido di zircone)
24Lezione 8-Trattamento reflui
Proprietà che rendono migliore laconfigurazione di una membrana
• Elevata superficie specifica (Area della membrana/ Volumedel modulo)
• Elevato grado di turbolenza sulla superficie di alimentazione,per favorire il trasferimento di massa
• Basso consumo di energia per unità di volume trattato• Basso costo specifico (costo per unità di superficie della
membrana)• Design che faciliti le operazioni di lavaggio e manutenzione• Design che faciliti la creazione di moduli, ovvero la possibilità
di essere facilmente assemblabile
• Elevata superficie specifica (Area della membrana/ Volumedel modulo)
• Elevato grado di turbolenza sulla superficie di alimentazione,per favorire il trasferimento di massa
• Basso consumo di energia per unità di volume trattato• Basso costo specifico (costo per unità di superficie della
membrana)• Design che faciliti le operazioni di lavaggio e manutenzione• Design che faciliti la creazione di moduli, ovvero la possibilità
di essere facilmente assemblabile
25Lezione 8-Trattamento reflui
Configurazioni
26Lezione 8-Trattamento reflui
Plate and frame“Plate and frame”: è formata da un gran numero di membrane
porose piane disposte tra un certo numero di lamine chedanno resistenza al modulo
27Lezione 8-Trattamento reflui
Membrane sommerse con flusso OUT IN
Lezione 8-Trattamento reflui 28
Modulo a spirale avvoltaConfigurazioni semplici e buona superficie specifica; è la configurazione
standard per moduli di MF e RO.Una membrana a spirale avvolta è composta da una “busta” formata da: fogli
di membrana porosa e da particolari reti in plastica che hanno lo scopo diformare una camera nella quale passa l’alimentazione. Il tutto è avvolto suun tubo plastico forato posto centralmente dove si raccoglie il permeato.
29Lezione 8-Trattamento reflui
Modulo tubolareSono dotate di un ampio diametro interno, sono da preferire quando la
turbolenza dell’influente ed una frequente pulizia sono dati importanti peril processo.
L’alimentazione passa all’interno di un tubo che è composto da una struttureportante sulla cui superficie interna è depositata la membrana vera epropria.
30Lezione 8-Trattamento reflui
Moduli a fibre cave sottili
Sono autoportanti, hanno elevata superficie specifica ebassi costi; operano generalmente con flussi didirezione esterna-interna.
31Lezione 8-Trattamento reflui
Lezione 8-Trattamento reflui 32
SupportoMembrana
polimerica
Caratteristiche peculiari delle varie configurazioni
Configuration Area/volumeratio (m2/m3)
Cost Turbulencepromotion
Advantages Disadvantages Applications
Pleated cartridge 800 – 1000 Low Very poor Robustconstruction,compactdesign
Easily fouled,cannot becleaned
Dead end MF
Plate-and-frame 400 – 600 High Fair Can bedismantledfor cleaning
Complicateddesign, cannotbe backflushed
ED, UF, RO
Spiral-wound 800 – 1000 Low Poor Low energycots, robustand compact
Not easilycleaned,cannotbackflush
RO, UFSpiral-wound 800 – 1000 Low Poor Low energycots, robustand compact
Not easilycleaned,cannotbackflush
RO, UF
Tubular 20 – 30 Very high Very good Easilymechanicallycleaned,tolerates highTSS waters
Replacementcost
Cross-flowfiltration,high TSSwaters
Hollow fibre 5000 – 40000 Very low Very good Can bebackflushed,compactdesign,tolerates highcolloid levels
Sensitive topressureshocks
MF, UF, RO
33Lezione 8-Trattamento reflui
TEORIA DELLA FILTRAZIONE SUMEMBRANA
TEORIA DELLA FILTRAZIONE SUMEMBRANA
34Lezione 8-Trattamento reflui
Flussi del processo
1. Alimentazione: carica di agenti inquinanti2. Permeato: flusso uscente che ha attraversato
la membrana, ha minore (o nullo) contenutoin solidi e inquinanti
3. Ritenuto: flusso uscente che non haattraversato la membrana, è moltoconcentrato e di conseguenza carico diinquinanti
1. Alimentazione: carica di agenti inquinanti2. Permeato: flusso uscente che ha attraversato
la membrana, ha minore (o nullo) contenutoin solidi e inquinanti
3. Ritenuto: flusso uscente che non haattraversato la membrana, è moltoconcentrato e di conseguenza carico diinquinanti
35Lezione 8-Trattamento reflui
Direzioni del flussoOrtogonale (o totale: “Dead End”):
utilizzato preferibilmente per reflui abasso contenuto di solidi sospesi (ho2 flussi perché il concentrato è dallostesso lato dell’alimentazione)
Tangenziale (Cross Flow):utilizzato per reflui ad altocontenuto in solidi (ho 3 flussi:alimentazione, concentrato epermeato)
36Lezione 8-Trattamento reflui
• Flusso: J = Q/A con J, flusso, L/m2h (LMH), Q portata, L/h, A, superficie, m2
• Fattore di permeazione: esprime la percentuale di permeato ottenutorispetto al flusso di alimentazione
I fattori generali di processo: definizioni (1)
Q C
QR CR
Q = QP + QR Q C = QP CP+ QR CR
QP CP
Q C
100QQP
37Lezione 8-Trattamento reflui
I fattori generali di processo: definizioni (2)
100Cin
CCR P
in• Fattore di rigetto:
Cin=concentrazionedell’elemento nella correntedi alimentazione
Cp=concentrazionedell’elemento nelpermeato
• Molecular Weight Cut Off (MWCO): peso molecolare del solutoche corrisponde ad un valore di rigetto con R=0,95
• Molecular Weight Cut Off (MWCO): peso molecolare del solutoche corrisponde ad un valore di rigetto con R=0,95
A seconda della distribuzione dellagrandezza dei pori si parla di membranecon “sharp cut off” o di “diffuse cut off”
38Lezione 8-Trattamento reflui
Pressione trans-membrana (TMP)L’energia necessaria per il funzionamento dei processi a membrana vienefornita da una pompa, che viene utilizzata per pressurizzare il liquido dialimentazione o “risucchiare” il permeato in modo tale da consentirne ilpassaggio attraverso la membrana e la circolazione all’interno del modulo.A causa della resistenza della membrana si viene pertanto a determinareuna differenza di pressione fra i due lati della membrana, definitapressione trans-membrana (TMP), che rappresenta la forza motrice per lapermeazione. L’espressione per il calcolo della pressione trans-membranaè diversa a seconda del tipo di flusso.
Cross-flow
Lezione 8-Trattamento reflui 39
PRA PPPTMP
2 PA = pressione di alimentazione; PR = pressionedel ritenuto; PP = pressione del permeato(in atm, o bar)
TMP = PA - PP
Cross-flow
Dead - end
Temperatura
La temperatura influenza in maniera significativa leprestazioni delle membrane a causa della variazione dellaviscosità dell’acqua.
Pertanto i valori del flusso e della permeabilità determinatialle varie temperature di prova vanno normalizzati ad unatemperatura di riferimento prima di poterli confrontare fraloro.Solitamente l’impatto della temperatura viene corretto,convertendo il valore trovato alla temperatura T a quella diriferimento a 20°C, mediante la relazione di Arrhenius:
Lezione 8-Trattamento reflui 40
Pertanto i valori del flusso e della permeabilità determinatialle varie temperature di prova vanno normalizzati ad unatemperatura di riferimento prima di poterli confrontare fraloro.Solitamente l’impatto della temperatura viene corretto,convertendo il valore trovato alla temperatura T a quella diriferimento a 20°C, mediante la relazione di Arrhenius:
)20(20 025,1 T
T JJ
Fattori che si oppongono alla filtrazione
•l’aumento della concentrazione del soluto respinto inprossimità della membrana (indicato con il termine diconcentrazione di polarizzazione CP), che è unaconseguenza della selettività della membrana;•l’adsorbimento di particelle e soluti sulla membrana perl’esistenza di forze attrattive;•la precipitazione di macromolecole poco solubili (conformazione di un “gel layer”), come nella UF, o di salipoco solubili (scaling), sulla membrana (come nella RO);•l’accumulo di materiale solido sulla membrana conformazione di una torta (“cake”) come nella MF.
Lezione 8-Trattamento reflui 41
•l’aumento della concentrazione del soluto respinto inprossimità della membrana (indicato con il termine diconcentrazione di polarizzazione CP), che è unaconseguenza della selettività della membrana;•l’adsorbimento di particelle e soluti sulla membrana perl’esistenza di forze attrattive;•la precipitazione di macromolecole poco solubili (conformazione di un “gel layer”), come nella UF, o di salipoco solubili (scaling), sulla membrana (come nella RO);•l’accumulo di materiale solido sulla membrana conformazione di una torta (“cake”) come nella MF.
Meccanismi di deposito nei processi cross flowDurante la filtrazione una porzione di solidi è portata sulla superficie dellamembrana da trasporti convettivi, allo stesso tempo una porzione di solvente èrimossa dal fluido. Questo porta alla creazione di strati ad alta concentrazione disoluto (rispetto al bulk del reattore) in prossimità della membrana.
42Lezione 8-Trattamento reflui
Concentrazione di polarizzazioneCon questa definizione si descrive la tendenza di un soluto adaccumularsi sulla membrana
In prossimità della membrana lavelocità decresce e laconcentrazione del solutoaumenta
Questo fenomeno di accumulo:
1. Rallenta la permeazione delsoluto per l’instaurarsi difenomeni di diffusione diritorno
2. Crea gradienti diconcentrazione tra le duesuperfici della membrana(ritenuto e permeato) cosìelevati da consentire lapermeazione anche allemolecole trattenute
Questo fenomeno di accumulo:
1. Rallenta la permeazione delsoluto per l’instaurarsi difenomeni di diffusione diritorno
2. Crea gradienti diconcentrazione tra le duesuperfici della membrana(ritenuto e permeato) cosìelevati da consentire lapermeazione anche allemolecole trattenute
43Lezione 8-Trattamento reflui
Sporcamento (Fouling): definizioneFouling è un termine generico utilizzato per indicare un processo che determinal’incremento della resistenza al moto di permeazione attraverso la membrana dovutonormalmente al deposito e all’adsorbimento sulla superficie della membrana e nei pori dimateriale contenuto nella corrente di alimentazione.
Il fouling può essere dovuto alle seguenti cause:•deposito ed adsorbimento di solidi, sostanze colloidali organiche e inorganiche,macromolecole, microrganismi•precipitazione di sali disciolti poco solubili (scaling)•formazione di biofilm dovuti a microrganismi (bio-fouling)•danni alla membrana causati da acidi, basi, pH estremi, cloro libero, batteri, pressionie temperature elevate.
Lezione 8-Trattamento reflui 44
Il fouling può essere dovuto alle seguenti cause:•deposito ed adsorbimento di solidi, sostanze colloidali organiche e inorganiche,macromolecole, microrganismi•precipitazione di sali disciolti poco solubili (scaling)•formazione di biofilm dovuti a microrganismi (bio-fouling)•danni alla membrana causati da acidi, basi, pH estremi, cloro libero, batteri, pressionie temperature elevate.
Da un punto di vista operativo il fouling provoca una riduzione del flusso ed unaumento della pressione, richiede frequenti pulizie delle membrane, aumenta iconsumi di energia e riduce il tempo di vita delle membrane. Viene consideratoreversibile il fouling dovuto a materiale accumulato sulla superficie della membranache può essere rimosso con le normali operazioni di lavaggio, eseguite con cadenzaperiodica, previste dal protocollo di pulizia. Viene considerato irreversibile ilfouling dovuto a sostanze che bloccano i pori della membrane e per la cui rimozione ènecessario effettuare un lavaggio chimico con opportune miscele di prodotti alloscopo di ripristinare le condizioni iniziali di permeabilità.
Sporcamento (Fouling) - 2E’ il termine generale che indica il processo per cui varie specie presenti nel refluo provocanofenomeni che incrementano la resistenza della membrana; questo può avvenire attraversoprocessi di deposito e accumulo sulla superficie o all’interno della membrana.
I tre meccanismi di membrane fouling più frequenti sono:
a- gel/cake formation: causato dalla concentrazione di polarizzazione
b- pore plugging: causato da particelle che si incastrano nei pori delle membrane causandone lacompleta occlusione
c- pore narrowing: causato da particelle che si accumulano sulla superficie interna dei pori
I tre meccanismi di membrane fouling più frequenti sono:
a- gel/cake formation: causato dalla concentrazione di polarizzazione
b- pore plugging: causato da particelle che si incastrano nei pori delle membrane causandone lacompleta occlusione
c- pore narrowing: causato da particelle che si accumulano sulla superficie interna dei pori
Thin membrane skin
Thin membrane skin
Thin membrane skin
(a)
(c)
(b)
45Lezione 8-Trattamento reflui
Sporcamento (macro-fenomeno)
Lezione 8-Trattamento reflui 46
Concause del foulingIl fouling è causato da molteplici parametri chimico-fisici:
• proprietà della superficie della membrana (chimiche,morfologiche).
• condizioni fluidodinamiche del reattore• cariche superficiali della membrana e interazioni con il refluo• concentrazione del soluto.
Tra i singoli componenti quelli che sono maggiore causa difouling nel caso di MF e UF sono proteine e colloidi.
Nei bioreattori a membrana (MBR) aerobici i polimeriextracellulari (EPS) prodotti dai batteri hanno grossa influenzasui fenomeni di fouling
Il fouling è causato da molteplici parametri chimico-fisici:
• proprietà della superficie della membrana (chimiche,morfologiche).
• condizioni fluidodinamiche del reattore• cariche superficiali della membrana e interazioni con il refluo• concentrazione del soluto.
Tra i singoli componenti quelli che sono maggiore causa difouling nel caso di MF e UF sono proteine e colloidi.
Nei bioreattori a membrana (MBR) aerobici i polimeriextracellulari (EPS) prodotti dai batteri hanno grossa influenzasui fenomeni di fouling
47Lezione 8-Trattamento reflui
Rimedi per il fenomeno del fouling
• Pre-trattamenti spinti (es., setacciatura)• Controlavaggi delle membrane (automatici)• Aerazione intensa (portata d’aria specifica 1m3/m2h)• Lavaggi (bagni) e controlavaggi con chemicals
appropriati in relazione al tipo di fouling (da materiaorganica (NaClO), da batteri (NaClO), da metalli (ac.citrico), etc…)
• Sostituzione delle membrane nel caso di intasamentiirreversibili
• Pre-trattamenti spinti (es., setacciatura)• Controlavaggi delle membrane (automatici)• Aerazione intensa (portata d’aria specifica 1m3/m2h)• Lavaggi (bagni) e controlavaggi con chemicals
appropriati in relazione al tipo di fouling (da materiaorganica (NaClO), da batteri (NaClO), da metalli (ac.citrico), etc…)
• Sostituzione delle membrane nel caso di intasamentiirreversibili
48Lezione 8-Trattamento reflui
PROGETTAZIONE DI UN’UNITA’ AMEMBRANA
PROGETTAZIONE DI UN’UNITA’ AMEMBRANA
49Lezione 8-Trattamento reflui
Progettazione di una unità a membrana
Il primo step consiste nel caratterizzare il refluo da trattare in modo dascegliere il processo di filtrazione più adeguato. I dati a base progettosono:
1. Qi: Portata da trattare2. Vi: Velocità del refluo da trattare3. Pi: Pressione operativa4. Percentuale di permeato che si vuole ottenere5. Dimensione dei pori della membrana
Il primo step consiste nel caratterizzare il refluo da trattare in modo dascegliere il processo di filtrazione più adeguato. I dati a base progettosono:
1. Qi: Portata da trattare2. Vi: Velocità del refluo da trattare3. Pi: Pressione operativa4. Percentuale di permeato che si vuole ottenere5. Dimensione dei pori della membrana
50Lezione 8-Trattamento reflui
Progettazione di una unità a membrana:procedura (1)
1. Velocità e pressione si fissano nei range consigliati, a seconda del processoscelto.
2. In generale si fa l’ipotesi, a vantaggio di sicurezza, che con un processo amembrana si riesca a far permeare tutto l’influente (Qi=Qu). In realtà laquantità di permeato sarà il 70-80% dell’influente in funzione del tipo diinfluente.
3. Fissati i dati a base progetto, si passa alla scelta dei moduli a membrana di cui siconosce permeabilità e le dimensioni (Superficie di filtrazione, sezionetrasversale, lunghezza, etc)
4. Nota la portata da trattare e la permeabilità, si calcola la superficie difiltrazione necessaria alla permeazione di tutto il refluo
5. Note la Qi e la Vi, si calcola la minima sezione trasversale Sc richiesta dalprocesso tramite: Qi=Vi*Sc
6. Confrontando Sc così calcolata con Si (area della sezione trasversale del modulo:dato fornito dal costruttore), si sceglie il modulo più consono (es: 1 tubo, 7 tubi,etc)
7. Scelto il modulo, quindi nota la superficie reale di filtrazione (dato fornito dalcostruttore), si calcola il numero dei moduli necessari dividendo Sc per lasuperficie di filtrazione del singolo modulo
1. Velocità e pressione si fissano nei range consigliati, a seconda del processoscelto.
2. In generale si fa l’ipotesi, a vantaggio di sicurezza, che con un processo amembrana si riesca a far permeare tutto l’influente (Qi=Qu). In realtà laquantità di permeato sarà il 70-80% dell’influente in funzione del tipo diinfluente.
3. Fissati i dati a base progetto, si passa alla scelta dei moduli a membrana di cui siconosce permeabilità e le dimensioni (Superficie di filtrazione, sezionetrasversale, lunghezza, etc)
4. Nota la portata da trattare e la permeabilità, si calcola la superficie difiltrazione necessaria alla permeazione di tutto il refluo
5. Note la Qi e la Vi, si calcola la minima sezione trasversale Sc richiesta dalprocesso tramite: Qi=Vi*Sc
6. Confrontando Sc così calcolata con Si (area della sezione trasversale del modulo:dato fornito dal costruttore), si sceglie il modulo più consono (es: 1 tubo, 7 tubi,etc)
7. Scelto il modulo, quindi nota la superficie reale di filtrazione (dato fornito dalcostruttore), si calcola il numero dei moduli necessari dividendo Sc per lasuperficie di filtrazione del singolo modulo
51Lezione 8-Trattamento reflui
Progettazione di una unità a membrana:procedura (2)
8. La perdita di carico tangenziale ΔP attraverso il modulo può essere stimata per unfluido newtoniano attraverso la formula già vista:
ΔP=0.04 v1.87p µ0.25
dove: ΔP=perdita di carico tangenziale, in barv=velocità del refluo di alimentazione, in m/sp=massa specifica del fluido, in kg/dm3
µ=viscosità del fluido in cP (1 cP=10-3 Pa s)per acqua a 20°C la formula si ridurrebbe a ΔP=0.04 v1.87
Operativamente per poter mantenere all’interno della membrana la pressione stabilita, ènecessario utilizzare valvole di regolazione in prossimità degli sbocchi delconcentrato e del ritenuto. Inoltre si deve monitorare la pressione all’interno delmodulo membrane e procedere alla pulizia della stessa quando si registrano valorisuperiori a quello di progetto
8. La perdita di carico tangenziale ΔP attraverso il modulo può essere stimata per unfluido newtoniano attraverso la formula già vista:
ΔP=0.04 v1.87p µ0.25
dove: ΔP=perdita di carico tangenziale, in barv=velocità del refluo di alimentazione, in m/sp=massa specifica del fluido, in kg/dm3
µ=viscosità del fluido in cP (1 cP=10-3 Pa s)per acqua a 20°C la formula si ridurrebbe a ΔP=0.04 v1.87
Operativamente per poter mantenere all’interno della membrana la pressione stabilita, ènecessario utilizzare valvole di regolazione in prossimità degli sbocchi delconcentrato e del ritenuto. Inoltre si deve monitorare la pressione all’interno delmodulo membrane e procedere alla pulizia della stessa quando si registrano valorisuperiori a quello di progetto
52Lezione 8-Trattamento reflui
Progettazione di una unità a membrana:esempio numerico (1)
Per il trattamento di un refluo a monte di una sezione di osmosi inversa, si vuole progettareuna unità di microfiltrazione su membrana. I dati a base progetto sono i seguenti:
•Dimensioni dei pori della membrana = 0.5 µm
•Permeabilità della membrana=2500 l/m2h
•Portata influente= 300 m3/d
Calcolo della minima sezione trasversale necessaria al trattamento della portata in questione:
Q=v S
Dove: Q=Qi; v=vi (velocità tangenziale)= da scegliere nel range consigliato; S=Sc (sezionetrasversale)= da determinare
Fissato v= 1 m/s
Sc= Q/v = 300 (m3/d)/1 (m/s) = 0.00347 (m3/s)/1 (m/s) = 0.00347 m2= 34.7 cm2
Per il trattamento di un refluo a monte di una sezione di osmosi inversa, si vuole progettareuna unità di microfiltrazione su membrana. I dati a base progetto sono i seguenti:
•Dimensioni dei pori della membrana = 0.5 µm
•Permeabilità della membrana=2500 l/m2h
•Portata influente= 300 m3/d
Calcolo della minima sezione trasversale necessaria al trattamento della portata in questione:
Q=v S
Dove: Q=Qi; v=vi (velocità tangenziale)= da scegliere nel range consigliato; S=Sc (sezionetrasversale)= da determinare
Fissato v= 1 m/s
Sc= Q/v = 300 (m3/d)/1 (m/s) = 0.00347 (m3/s)/1 (m/s) = 0.00347 m2= 34.7 cm2
53Lezione 8-Trattamento reflui
Progettazione di una unità a membrana:esempio numerico (2)
Si confronta il valore della sezione trasversale ottenuto (Sc) con I valori dei moduli amembrana disponibili
Scelto il modulo 150, sempre dalla relazione Q= v S, si verifica la portata trattabile:
Qtrattabile= v Sf = 0.0037 *1= 0.0037 m3/s= 13.32 m3/h > 12.5 m3/h (Qi da trattare)
La superifcie necessaria per ottenere il 100% di permeato sarà:
S=Qi/2500 (l/m2 h)= 12500 (l/h)/2500 (l/m2/h)= 5 m2
Il numero (n) di moduli (modello 150) da utilizzare sarà:
n= 5 m2/ 2.8 m2= 254Lezione 8-Trattamento reflui
Progettazione di una unità a membrana:esempio numerico (3)
La caduta di pressione all’interno di un singolo modulo sarà:
ΔP= 0.04 v1.87= 0.04*1= 0.04 bar
La caduta di pressione totale sarà: ΔPtot= 0.04*2= 0.08 bar
Supponendo che la pressione operativa di processo sia di 1 bar, si dimensionerà il modulodi filtrazione in modo da avere in ingresso (1+0.08) = 1.08 bar
55Lezione 8-Trattamento reflui
Metodo semplificato
• nota la portata (m3/h)• scelta del modulo filtrante• noto il flusso caratteristico del modulo filtrante prescelto (LMH,l/m2h)• nota l’area di un singolo modulo filtrante• si determina l’area filtrante necessaria complessiva (aumento 30%)• si determina il numero di moduli filtranti necessari
Lezione 8-Trattamento reflui 56
• nota la portata (m3/h)• scelta del modulo filtrante• noto il flusso caratteristico del modulo filtrante prescelto (LMH,l/m2h)• nota l’area di un singolo modulo filtrante• si determina l’area filtrante necessaria complessiva (aumento 30%)• si determina il numero di moduli filtranti necessari
I numeri dell’azienda
produzione di vini e spumanti + imbottigliamento in conto terzi
400,000 hL venduti nel 2008
30% da uve proprie e 70% da imbottigliamento
60% per esportazione in 30 Paesi, Germania e Scandinavia in primis
Un caso di studio:trattamento di reflui di cantina in MBR
per il riutilizzo della risorsa idrica
57
produzione di vini e spumanti + imbottigliamento in conto terzi
400,000 hL venduti nel 2008
30% da uve proprie e 70% da imbottigliamento
60% per esportazione in 30 Paesi, Germania e Scandinavia in primis
Lezione 8-Trattamento reflui
Wastewater, 100 m3/d
Mix tank80 m3
Bioreactor,325 m3
Drum siever, 1 mm holes
Mem
bran
es
Impianto MBR
58
Mix tank80 m3
Bioreactor,325 m3
Sludgethickening Permeate to
reuse(washing)
Mem
bran
esDisposal
Recycle
Lezione 8-Trattamento reflui
Parametro um valore
Portata media, Qmn m3/d 100
Portata di punta, Qp m3/h 20
pH 6,5 – 8,5
COD load kg/d 600
Parametri di progettazione
59
COD load kg/d 600
BOD load kg/d 250
BOD (OLR) Kg/m3d 0,77
Carico sul fango (F/M) Kg/kgMLVSSd 0,06
N total kg/d 8,5
P total kg/d 0,3
Lezione 8-Trattamento reflui
Caratteristiche del modulo filtrante
Parametro
Marca Kubota
Membrana Plate and frame
Intervallo di filtrazione MF (0,4 µm)
Flusso 15-20 LMH
Numero di moduli 400
60
Numero di moduli 400
Superficie filtrante 276 m2
Densità d’aria sulla membrana 1 m3/m2 per ora
Cleaning NaClO
Lezione 8-Trattamento reflui
0
80
160
240
320
400
0
400
800
1200
1600
2000
COD load O
UT, kg/dCO
D lo
ad I
N, k
g/d
LCOD in
LCOD out
Performances dell’MBR nel periodo 2006-2008
61
0
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0
400
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2000
COD load O
UT, kg/dCO
D lo
ad I
N, k
g/d
LCOD in
LCOD out
Picchi di carico non solo in vendemmia !
Lezione 8-Trattamento reflui
Zoom: COD nell’estate – autunno 2007
62
4 g/L influent COD 8 g/L influent COD
Lezione 8-Trattamento reflui
Zoom: azoto estate-autunno 2007
63Lezione 8-Trattamento reflui
Parametri di processo dell’MBR nel periodo di osservazione
Parametro Valore
Refluo trattato 110 m3/d
Carico organico (OLR) 1,5 – 2,0 kgCOD/m3day
Fango attivo (MLSS) 9 – 12 kg/m3
Carico sul fango (F:M) 0,15 kgCOD/kgMLVSSday
Età del fango (SRT or MCRT) 60 days
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Età del fango (SRT or MCRT) 60 days
Crescita del fango (resa) 0,11 kgMLVSS/kgCOD rimosso
Lezione 8-Trattamento reflui
Bilanci di materia
il bilancio di materia sul COD mostra che il 68% è rimosso perrespirazione, il 26% da nuova biomassa e solo il 6% è rinvenuto nelpermeato
il bilancio di materia per l’azoto mostra che il 50% è assimilato perla crescita cellulare, il 10% nel permato, mentre il rimanente èdenitrificato nelle zone anossiche che si determinano in vasca a causadi elevate concentrazioni di carico organico e biomassa
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il bilancio di materia sul COD mostra che il 68% è rimosso perrespirazione, il 26% da nuova biomassa e solo il 6% è rinvenuto nelpermeato
il bilancio di materia per l’azoto mostra che il 50% è assimilato perla crescita cellulare, il 10% nel permato, mentre il rimanente èdenitrificato nelle zone anossiche che si determinano in vasca a causadi elevate concentrazioni di carico organico e biomassa
Lezione 8-Trattamento reflui
Caratteristiche dell’effluente per il riutilizzo interno
Parameter Influente(media)
Effleunte(media)
Rimozione%
TSS mg/L 350 < 1 > 99%COD mg/L 4700 < 250 > 95%COD solubile mg/L 4000 < 250 > 95%N totale mgN/L 65 < 10 > 85%TKN mgN/L 25 < 2 > 92%N-NO3 mgN/L 40 < 10 > 75%P totale mgP/L 35 < 10 > 70%
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Parameter Influente(media)
Effleunte(media)
Rimozione%
TSS mg/L 350 < 1 > 99%COD mg/L 4700 < 250 > 95%COD solubile mg/L 4000 < 250 > 95%N totale mgN/L 65 < 10 > 85%TKN mgN/L 25 < 2 > 92%N-NO3 mgN/L 40 < 10 > 75%P totale mgP/L 35 < 10 > 70%< 2
Eventuali criticità:
- SAR (Na/√(Ca+Mg/2)- Rame- Solfiti- Pesticidi (clorurati, fosforati, altri)
Lezione 8-Trattamento reflui
Utility Potenza installata, kW
Griglia a tamburo 0,55
Equalizzazione (mixer) 1,1
Sollevamento 2 x 1,1
Aerazione 22
I consumi energetici effettivi
67
Aerazione 22
Membrane scouring 7,5
Pompaggio permeato 2 x 0,5
Ricircolo fanghi 1,1
Lezione 8-Trattamento reflui
Distribuzione delle Potenze
68Lezione 8-Trattamento reflui
Consumi specifici: 3kWh/m3 o 1 kWh/kgCOD
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Letteratura: 2,15 – 3,75 kWh/m3 di refluo trattato nell’industriaalimentare (Judd, 2006, The MBR Book)
Lezione 8-Trattamento reflui
Caratteristiche evidenziate dal sistema studiato
il reattore MBR è in grado di fronteggiare forti variazioni di caricoidraulico ed organico mantenendo ottime prestazioni: si è osservatarimozione del COD al 95% anche per un carico di 2 kgCOD/m3day;
l’effluente prodotto presenta caratteristiche sostanzialmente idonee alriutilizzo “in-house” per la pulizia di pavimenti e macchine. L’eventualeimplementazione della RO consentirebbe riutilizzo in imbottigliamento;
i consumi specifici di energia sono (ad oggi, col solo MBR) nell’intervallo2,0 – 3,6 kWh/m3 e mediamente pari a 3 kWh/m3 o 1 kWh per kg CODrimosso, valori del tutto in linea con quanto riscontrato nelle applicazioni diMBR nell’industria alimentare
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il reattore MBR è in grado di fronteggiare forti variazioni di caricoidraulico ed organico mantenendo ottime prestazioni: si è osservatarimozione del COD al 95% anche per un carico di 2 kgCOD/m3day;
l’effluente prodotto presenta caratteristiche sostanzialmente idonee alriutilizzo “in-house” per la pulizia di pavimenti e macchine. L’eventualeimplementazione della RO consentirebbe riutilizzo in imbottigliamento;
i consumi specifici di energia sono (ad oggi, col solo MBR) nell’intervallo2,0 – 3,6 kWh/m3 e mediamente pari a 3 kWh/m3 o 1 kWh per kg CODrimosso, valori del tutto in linea con quanto riscontrato nelle applicazioni diMBR nell’industria alimentare
Lezione 8-Trattamento reflui