Biorreattori a membrana (MBR) per il trattamento delle acque reflue

Definizione

I biorattori a membrana (MBRS) sono una valida alternativa ai sistemi convenzionali di depurazione biologica a fanghi attivi per il trattamento delle acque reflue.

Questo sistema consiste in una modifica del sistema convenzionale a fanghi, poiché i vasche secondarie di sedimentazione, tipiche del sistema convenzionale, sono sostituite da unità a membrana.

È costituito da una combinazione di:

• Biorattore: in cui una sospensione concentrata di microrganismi degrada gli inquinanti presenti nell’acqua.
• Unità di filtrazione a membrana (0,01-0,04 µm): che separano la biomassa dall’acqua purificata.

I biorattori a membrana sono composti da diverse membrane e un biorattore. Il modulo di filtrazione può essere esterno o interno al biorattore. La differenza è che il consumo energetico nel sistema MBR esterno è dieci volte superiore a quello interno.

Tuttavia, gli MBR esterni presentano alcuni vantaggi rispetto a quelli interni, come ad esempio la possibilità di pulire le membrane in situ, il facile accesso ai moduli, la possibilità di modificare il numero di moduli e l’opportunità di ottimizzare l’aerazione del biorattore per ottenere coefficienti di trasferimento dell’ossigeno massimi.

Esiste anche una configurazione innovativa di MBRS denominata Air lift MBR, che consiste in un MBR esterno, quindi con facile accesso alle membrane e che lavora con flussi elevati. D’altra parte, presenta anche i vantaggi di un sistema interno, cioè un basso consumo energetico (0,5 kwh/m3).

In definitiva, il sistema di biorattori a membrana è una tecnologia in grado di competere con i sistemi convenzionali a fanghi, poiché permette di ottenere un effluente di qualità e presenta una grande versatilità di progettazione.

Vantaggi

Questo sistema è adatto sia per il trattamento delle acque reflue urbane sia per le acque reflue industriali biodegradabili. La maggior parte delle applicazioni di questo sistema si trova nel settore alimentare, farmaceutico, cosmetico e nelle discariche.

I principali vantaggi del sistema MBRS rispetto ai fanghi attivi sono:

• Effluente di alta qualità con bassa produzione di fanghi: opera con una concentrazione di biomassa elevata.
• Impianti relativamente piccoli: grazie all’assenza di sedimentazione.

Altri vantaggi da considerare sono:

• Libertà di controllo del processo: permette la manipolazione dei tempi di residenza idraulica e della biomassa.
• Aumento della separazione: associata alla tecnologia a membrana.

Svantaggi

Il sistema MBRS presenta un principale svantaggio rispetto ai fanghi attivi:

• Alti costi di prevenzione ed eliminazione dell’incrostazione delle membrane: genera più incrostazione rispetto ad altri sistemi perché il mezzo è sottoposto a maggiore agitazione rispetto al sistema convenzionale a fanghi, il che produce una maggiore produzione di SPE.

Tipi di incrostazione

La permeabilità delle membrane è influenzata dalle caratteristiche del fango. Le cellule presenti nel fango possono formare uno strato attorno alla membrana durante la filtrazione e creare una biopellicola che riduce la permeabilità, problema che può essere aggravato dal deposito di particelle e dall’adsorbimento di materiali colloidali.

Fattori biologici, come la presenza di nutrienti, l’età del fango e il livello di agitazione influenzano la produzione di sostanze polimeriche extracellulari responsabili dell’incrostazione.

Qualsiasi tipo di incrostazione si verifica nelle diverse fasi temporali. Durante la filtrazione, l’aumento della pressione transmembrana è dovuto principalmente alla formazione del cake che ostruisce la membrana. In base al momento in cui si verifica l’incrostazione si distinguono i seguenti tipi:

1. Reversibile: L’incrostazione causata dal cake che ostruisce la membrana può essere rimossa con una pulizia fisica.
2. Irreversibile: Dipende dalla tenacia con cui lo sporco si lega alla membrana. A lungo termine la pulizia fisica non può resistere alla pressione transmembrana iniziale e per eliminare l’incrostazione è necessaria una pulizia chimica.
3. Irrecuperabile: L’incrostazione non può più essere rimossa mediante pulizia chimica e non si può evitare l’aumento graduale della pressione transmembrana nel corso degli anni, definendo così la vita utile della membrana.

Fattori di incrostazione

Conoscere i principali fattori dell’incrostazione delle membrane è fondamentale per poter attuare una strategia operativa efficiente. I fattori che intervengono nell’incrostazione possono essere classificati in:

1. Caratteristiche della membrana
2. Condizioni di esercizio
3. Proprietà della biomassa

Considerare la velocità e il tipo di incrostazione che sperimentano i biorattori a membrana è cruciale nella scelta di questo sistema per il trattamento delle acque reflue.

Questi fattori sono di grande importanza, poiché condizionano i costi di esercizio e manutenzione. Conoscerli può essere utile per minimizzarne gli effetti.

A sua volta, tutti i parametri coinvolti nella progettazione e nell’esercizio di un biorattore a membrana influenzano l’incrostazione. Inoltre, i tre fattori menzionati sono interrelati tra loro.

Di seguito, analizzeremo ciascuno di essi al fine di ridurre l’incrostazione.

Caratteristiche delle membrane

• Materiale: I diversi materiali con cui sono fabbricate le membrane presentano differenti tendenze all’incrostazione. Le membrane organiche si incrostano più facilmente di quelle composte da materiali inorganici. Sebbene queste ultime siano più resistenti e meno soggette all’incrostazione, a causa del loro costo sono poco utilizzate.
• Dimensione e distribuzione dei pori: Se la dimensione della particella è inferiore a quella del poro, bisogna considerare l’incrostazione per restringimento del poro. Per questo motivo, l’incrostazione è più rapida nelle membrane di microfiltrazione rispetto a quelle di ultrafiltrazione.
• Configurazione: La configurazione della membrana influisce sulle condizioni idrodinamiche, ma non sulla filtrabilità del fango. Le membrane a fibre cave, solitamente usate negli MBR interni, sono più soggette all’incrostazione rispetto a quelle tubolari o piane, e presentano anche maggiore incrostazione se installate orizzontalmente anziché verticalmente.

Condizioni di esercizio

Quando i biorattori a membrana operano a flusso costante, la velocità di incrostazione è più bassa rispetto a quando si lavora con pressione transmembrana costante. Tuttavia, il flusso costante provoca un’incrostazione irreversibile che favorisce il restringimento dei pori.

• Flusso di permeato: Questo è il principale parametro operativo che condiziona l’incrostazione, poiché lavorare con un flusso superiore al valore specifico o critico comporta un’incrostazione rapida e irreversibile.
• Flusso incrociato: L’aumento del grado di turbolenza provocato dal flusso incrociato riduce l’incrostazione. Tuttavia, una velocità di flusso incrociato troppo elevata può danneggiare la struttura del fiocco e favorire il rilascio di prodotti microbici solubili nel mezzo. A velocità basse, le particelle si depositano più facilmente nei pori più grandi della membrana di microfiltrazione.
• Aerazione: Nei biorattori a membrana l’aerazione, oltre a fornire ossigeno alla biomassa e mantenere in sospensione il fango attivo, riduce l’incrostazione mediante l’attrito continuo delle bolle sulla superficie della membrana. Bisogna considerare che un’aerazione troppo intensa potrebbe danneggiare la struttura del fiocco e favorire il rilascio di prodotti microbici solubili nel mezzo.
• Tempo di ritenzione cellulare (TRH): TRH elevati implicano flussi di permeato bassi e poca incrostazione, mentre TRH bassi comportano un aumento del flusso di permeato e della concentrazione di materia disciolta nel mezzo, provocando maggiore incrostazione. La variazione di questo parametro provoca variazioni nell’incrostazione, poiché è legato ad altri parametri.
  • Tempi di ritenzione cellulare (TRC): Anche questo è legato ad altri parametri, rendendo difficile determinarne l’effetto sull’incrostazione, poiché non è causa diretta. Sia TRH che TRC influenzano altri fattori direttamente correlati all’incrostazione. Come per il TRH, più basso è il TRC, maggiore è l’incrostazione. Tuttavia, un TRC molto elevato provoca anch’esso un aumento dell’incrostazione, per cui si calcola un TRC ottimale tra 20 e 50 giorni.
  • Alterazioni dello stato stazionario: Cambiamenti come variazioni di portata, composizione dell’acqua da trattare e variazioni di temperatura sono fattori che condizionano l’incrostazione della membrana. In definitiva, ogni stato non stazionario aumenta l’incrostazione.

Caratteristiche del mezzo

• Distribuzione delle dimensioni: La dimensione delle particelle presenti nel liquido gioca un ruolo importante nell’incrostazione. I solidi sospesi (fiocchi e materiale polimerico extracellulare legato) hanno minore importanza nell’incrostazione rispetto ai colloidi e al materiale disciolto (prodotti microbici solubili).
• Viscosità: La viscosità, legata alla temperatura e alla concentrazione di solidi, influisce anch’essa sull’incrostazione della membrana e modifica l’idrodinamica del mezzo e l’aerazione. Se la concentrazione di solidi aumenta fino a un valore critico, la viscosità aumenta esponenzialmente e anche l’incrostazione aumenta.
• Temperatura: L’uso di temperature basse provoca maggiore incrostazione, poiché aumenta la viscosità, intensifica la flocculazione e riduce la biodegradazione.
• Ossigeno disciolto: Alte concentrazioni di ossigeno sono generalmente associate a minori tendenze all’incrostazione.
• Proprietà del fiocco: I fiocchi meno idrofobici tendono a provocare meno incrostazione sulla superficie della membrana. Tuttavia, i fiocchi poco idrofobici sono più soggetti a deterioramento, aumentando la resistenza di filtrazione del cake.
• Sostanze polimeriche extracellulari legate (SPEL): Le SPEL (materiali costitutivi degli aggregati microbici) rappresentano i principali componenti del fiocco e giocano un ruolo cruciale nell’incrostazione. Esiste una relazione diretta tra le SPEL e la resistenza specifica del cake di filtrazione, anche se non possono essere considerate singolarmente come causa di incrostazione, poiché sono correlate a molti fattori. Questo fattore non può essere controllato direttamente, quindi è necessario regolare altri fattori per minimizzare l’incrostazione. Da evidenziare il TRC, che presenta un valore ottimale per la minima produzione di SPEL e per mitigare l’incrostazione.
• Prodotti microbici solubili (PMS): In questo gruppo rientrano i biopolimeri solubili o colloidali di origine cellulare. Durante la filtrazione i PMS si adsorbono all’interno delle membrane, bloccando i pori e formando una struttura gelatinosa sulla superficie della membrana. PMS e dimensione dei fiocchi sono i due aspetti che maggiormente condizionano l’incrostazione. Attualmente non esiste un metodo fisso per determinarne la concentrazione. Come per le SPEL, il TRC gioca un ruolo fondamentale nell’incrostazione. All’aumentare del TRC, SPEL, SPE e PMS diminuiscono. È stato inoltre osservato che il PMS diminuisce minimizzando le concentrazioni di ossigeno disciolto e nitrato nel mezzo.

Tecniche di controllo dell’incrostazione

L’incrostazione delle membrane è un fenomeno che condiziona l’esercizio e la manutenzione dei sistemi di filtrazione, poiché limita la vita utile delle membrane. Le tecniche per minimizzare l’incrostazione mirano anche a ottimizzare le proprietà della membrana, le condizioni operative e le caratteristiche della biomassa. Tuttavia, queste tecniche non eliminano la necessità di pulizie fisiche e chimiche periodiche della membrana.

Per questo motivo, il controllo dell’incrostazione è un aspetto vitale nella progettazione e nell’uso dei biorattori a membrana. Le azioni necessarie per mantenere sotto controllo la velocità di incrostazione sono le seguenti:

• Eseguire pulizie periodiche della membrana.
• Modificare le caratteristiche della biomassa.
• Ottimizzare i parametri di esercizio.

La pulizia della membrana è il metodo più semplice per controllare l’incrostazione. La pulizia può essere fisica (basata su metodi meccanici) o chimica (utilizzo di un agente ossidante). La pulizia fisica è più semplice di quella chimica e, non introducendo sostanze chimiche, non danneggia la membrana. Tuttavia, questo tipo di pulizia fisica è meno efficace, poiché agisce solo sull’incrostazione reversibile, mentre la pulizia chimica elimina anche l’incrostazione irreversibile.

Da un lato, la pulizia fisica delle membrane può essere effettuata in due modi: interrompendo il flusso di permeato (rilassamento) o invertendo il senso del flusso di permeato (controlavaggio). L’opzione del controlavaggio è incorporata nel design dei nostri MBR come strategia per rimediare all’incrostazione.

Questa opzione permette di eliminare la maggior parte dell’incrostazione dovuta al blocco dei pori e una parte dell’incrostazione causata dal cake di filtrazione. Per minimizzare l’incrostazione, risparmiando il massimo di energia possibile, è importante considerare la frequenza, la durata e l’intensità del controlavaggio. Controlavaggi meno frequenti ma più lunghi sono più efficienti di quelli più brevi e frequenti.

Si può anche usare aria nel controlavaggio per aumentare il permeato, ma richiede periodi più lunghi e frequenti e può compromettere l’integrità della membrana. Il rilassamento della membrana, cioè la filtrazione intermittente. Sebbene la velocità di incrostazione sia più alta durante la filtrazione continua, il rilassamento permette di prolungare il periodo di filtrazione e posticipare la necessità di pulizia.

Attualmente si tende a combinare la filtrazione intermittente con il controlavaggio per ottimizzare i risultati. Il rilassamento senza controlavaggio incrementa l’accumulo lento di sporco, ma conserva la biopellicola della membrana. Questa biopellicola è più selettiva della membrana, quindi può essere benefica purché la resistenza non sia eccessiva.

Dall’altro lato, la pulizia chimica deve essere effettuata periodicamente per integrare la pulizia fisica e così eliminare l’incrostazione irreversibile. Si possono distinguere diversi tipi in base all’intensità:

• Controlavaggio chimico (giornaliero)
• Pulizia di manutenzione (settimanale)
• Pulizia intensiva (semestrale)

Azioni preventive:

• Migliorare le proprietà anti-sporco della membrana: molto porose e con carattere idrofilo.
• Ottimizzare le condizioni operative: mantenere le variabili operative (TRH, TRC, flusso di permeato, aerazione, flusso incrociato) controllate per limitare l’incrostazione, mediante i seguenti metodi: sistemi di controllo del feedback, riduzione del flusso di permeato, aumento dell’aerazione (senza raggiungere il valore critico), pretrattamento dell’acqua da trattare.
• Preparare la biomassa per ridurre la capacità di incrostazione: le caratteristiche della biomassa biochimicamente attraverso il controllo del Tempo di Ritenzione Cellulare (TRC) o chimicamente (con l’aggiunta di flocculanti, coagulanti e adsorbenti).

In definitiva, il controllo dell’incrostazione è fondamentale per il funzionamento ottimale dei biorattori a membrana, per cui è necessario effettuare pulizie periodiche.

Conclusioni

Tenendo conto dei 3 principali fattori da cui dipende l’incrostazione degli MBR, la membrana più adatta deve avere una superficie idrofila con dimensione dei pori piccola e uniforme. Deve operare a flussi di permeato moderati, con aerazione e una velocità di flusso incrociato da 0,5 a 3 m/s.

Sono inoltre necessari TRH elevati e TRC da 20 a 50 giorni. Bisogna mantenere temperature da 25 a 30 ºC e concentrazioni di ossigeno disciolto da 1 a 2 ppm. In sintesi, bisogna evitare situazioni di stress per la biomassa che provochino elevate concentrazioni di SPEL e PMS nel mezzo.