Esaltatori di flusso

Da quando Yoon et al. (2005) hanno osservato il miglioramento della filtrabilità in seguito all‘aggiunta di un polimero cationico alla miscela liquida di un impianto MBR, è notevolmente aumentato l‘interesse verso alcuni composti in grado di prolungare le performance delle membrane. Per valutare l‘effetto di una vasta gamma di composti chimici, è stato pertanto compiuto uno studio che include sperimentazioni pilota a lungo termine e indagini degli effetti sulla biomassa (Koseoglu et al., 2008; Iversen et al., 2009a; Iversen et al., 2009b).

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Gli additivi possono essere organici o inorganici, in forma solubile o come particolato, e possono agire secondo meccanismi diversi tra cui l‘adsorbimento degli SMP, la coagulazione, la creazione di reticoli tra fiocchi e/o tra SMP, o una combinazione di essi.

Utilizzando un polimero cationico, Lee et al. (2007) hanno osservato che i foulants solubili erano intrappolati nei fiocchi di fango durante il processo di flocculazione. Analizzando la porosità e il volume del biofilm formatosi sulla superficie della membrana, essi hanno dimostrato che l‘aggiunta del polimero cationico ha prodotto un biofilm più poroso e, conseguentemente, una migliore filtrazione.

Diversi studi hanno valutato gli effetti del carbone attivo in polvere (PAC), del polialluminio cloruro (PACl) e dei sali di ferro sulle prestazioni degli impianti MBR. Tali adsorbenti e coagulanti sono noti per la loro capacità di migliorare la filtrazione nella produzione di acqua potabile e sono quindi probabilmente efficaci nella riduzione del fouling degli MBR.

Zhang et al. (2004) hanno studiato gli effetti del prerivestimento della membrana con idrossido ferrico e della flocculazione dei fanghi con cloruro ferrico ed hanno verificato il grande potenziale di riduzione del fouling, osservando tuttavia, con un aumento del dosaggio, una forte diminuzione del pH ed una riduzione delle attività microbiche.

Risultati simili sono stati presentati da Song et al. (2008), che hanno studiato l‘effetto coagulante dell‘allume e del cloruro di ferro. Sebbene entrambi gli additivi siano stati in grado di migliorare la rimozione del fosforo e la resistenza alla filtrazione, gli autori hanno escluso il cloruro ferrico da ulteriori test poiché responsabile di una forte riduzione del pH. L‘aggiunta di carbone attivo può avere diversi effetti positivi sulle prestazioni dei reattori MBR: la rimozione degli inquinanti può essere migliorata o resa più stabile, l‘attività microbica può essere accelerata ed il fouling risulta inferiore (Guo et al., 2006; Munz et al., 2007; Sagbo et al., 2008).

Da quanto esposto, gli additivi possono anche avere un effetto sul trasferimento di massa e sull‘ambiente biochimico. Considerati i costi, va però determinato il dosaggio ottimale. Nello screening di test in cui sono state valutate varie sostanze sulla base di criteri diversi, Koseoglu et al. (2008) hanno dimostrato che la quantità di SMP nel surnatante dei fanghi si è ridotta in modo significativo quando il fango è stato trattato con alcuni polimeri o sali. Ai loro dosaggi ottimali, si sono raggiunte rispettivamente rimozioni degli SMP del 33, 45, 51, 36, 38, 54 e 56 %

utilizzando rispettivamente l‘MPL30, l‘MPE50 (polimeri cationici prodotti dalla Nalco Chemical Company, USA), il KD452 (polimero cationico prodotto da Adipap, Francia), FeCl₃, PACl, il chitosano e l‘amido (Koseoglu et al., 2008). Tra i sette additivi esaminati, il KD452 presenta le migliori performance in termini di rimozione degli SMP e di dosaggio necessario. Anche il flusso critico ha subito un incremento del 46 % con l‘MPE50 e del 38 % con il KD452. Gli effetti collaterali legati al loro eccesso o scarso dosaggio sono stati osservati per FeCl3 e il chitosano: usandone troppo o troppo poco si è rilevata una diminuzione del cosiddetto flusso critico rispetto al valore corrispondente al dosaggio ottimale. La riduzione delle performance di filtrazione causata dal sovradosaggio è stata attribuita alla deflocculazione, accompagnata da una riduzione delle rimozioni degli SMP (Koseoglu et al., 2008).

I tre additivi che hanno mostrato i risultati più promettenti (KD452, MPE50 e amido) sono stati poi testati su impianti pilota. Sono stati utilizzati in parallelo due MBR identici (volume di 1,6 m3_{) dotati di} moduli a membrane piane con superficie filtrante di 22 m2 _{(PVDF 0,2} µm, A3 Water Solutions, Germania) e alimentati con reflui civili. Solo un impianto ha visto l‘impiego degli additivi, somministrati per 3 mesi. Tra due somministrazioni successive, è stato necessario un periodo di 3 SRT per la rimozione dell‘additivo residuo.

La pulizia chimica delle membrane è stata effettuata in entrambi gli impianti prima del successivo ciclo di dosaggio (Iversen et al., 2009b). I polimeri cationici (KD452 e MPE50) hanno ridotto il tasso di fouling ed il KD452 ha ritardato significativamente il ―TMP jump‖.

Diversi studi hanno già convalidato l‘efficacia dell‘MPE50 anche a scala reale (Yoon et al., 2006; Thiemig et al., 2008; Wozniak, 2009). Iversen et al. (2009b) hanno osservato un effetto più evidente soprattutto quando, verso la fine del ciclo di dosaggio, è stato aumentato il flusso. Il recupero della permeabilità raggiunto con la pulizia chimica è stato molto più alto per l‘impianto in cui era utilizzato l‘MPE50 (72 % della permeabilità originale rispetto al 18 % per l‘impianto di riferimento), anche applicando la stessa procedura di pulizia. Anche se residui di polimeri sono stati rilevati nel surnatante durante le prove di jar test a breve termine, negli impianti pilota non è stato trovato alcun residuo di additivo per lo stesso dosaggio (Iversen et al., 2009b).

Sebbene gli effetti positivi dell‘amido non possano essere confermati nei test a scala pilota, la cromatografia a permeazione di gel ha rilevato composti a più alto peso molecolare nell‘impianto di riferimento rispetto

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a quello trattato con amido. Le concentrazioni di polisaccaridi e di proteine nel surnatante non sono state influenzate dall‘aggiunta di additivi, a differenza di quanto previsto dalle prove di jar test a breve termine, forse a causa della diversa miscelazione. Con riferimento agli effetti degli additivi sulla biologia, l‘eliminazione dell‘azoto totale, circa pari all‘86%, non è stata influenzata dall‘aggiunta di una qualsiasi delle tre sostanze. In questo caso, i risultati a scala di laboratorio (Iversen et al., 2009c) sono stati confermati dall‘esercizio a lungo termine di un impianto a scala reale.