Impatto delle caratteristiche Idrodinamiche di processo

Il fouling irreversibile è in particolar modo attribuibile al deposito di sostanze colloidali sulla superficie della membrana. Il trasporto delle sostanze colloidali sulla superficie della membrana è direttamente legata al flusso di permeazione, il flusso per il quale ha luogo il deposito dei materiali colloidali viene definito “flusso limite” (Howell, 1995) o “flusso critico”.

Il valore di flusso critico, Jc, è definito dalla condizione di equilibrio tra le forze legate alla pressione di filtrazione che premono i composti sulla la superficie della membrana, e le forze di taglio che, diversamente, spingono i composti lontani dalla membrana. Quando il valore del flusso di permeato è minore del flusso critico (condizione di flusso sub-critico) non si ha accumulo di particelle sulla membrana e, se le interazioni tra le componenti chimico-fisiche del soluto e il materiale della membrana sono trascurabili, il processo di filtrazione avviene in condizioni stabili prossime alla filtrazione di acqua pulita, senza apprezzabili variazioni nel tempo della permeabilità.

Figura 15 Concetto di flusso critico

La Figura 15 mostra il flusso di permeato come funzione della pressione. Nella zona I, a bassi livelli di pressione, il flusso è direttamente proporzionale alla TMP. L’intensità del flusso è la stessa del caso con acqua a pari viscosità. Come la pressione sale al di sopra di un certo valore, il flusso diventa costante e indipendente dalla pressione (zona III). Nella zona II, la curva riflette l’inizio dei fenomeni di sporcamento, i quali si assestano nella zona III in condizioni stazionarie.

Secondo la definizione di Flusso critico introdotta da Field et al. (1995), nel primo tratto del grafico in Figura 15, (J<Jc, flusso sub-critico) J dipende dalla pressione transmembrana, nel secondo tratto (J>Jc,

flusso super-critico) J diventa praticamente indipendente. Il flusso critico è il punto al di sotto del quale

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Sperimentazioni condotte in condizioni di flusso sub-critico hanno però dimostrato che nonostante le premesse teoriche si ha ugualmente un incremento di fouling (Jefferson et al., 2001; Le Clech et al., 2003). In tale circostanza si preferisce utilizzare al posto del flusso critico, il Flusso sostenibile che è il

flusso al di sotto del quale la permeabilità può essere considerata costante. Gestionalmente il flusso

sostenibile rappresenta il valore di flusso ottimale di permeato da estrarre per ridurre al minimo gli interventi di pulizia chimica.

Pur mantenendo inalterate tutte le condizioni operative al contorno, la medesima membrana può

presentare un flusso sostenibile molto più basso se le condizioni di turbolenza indotte dall’aerazione o dal ricircolo di fango attivo vengono ridotte. La stessa influenza si verifica in presenza

o meno di relaxation e/o controlavaggio (Andreottola et al., 2003).

Controlavaggio e relaxation

Interrompendo l’estrazione del permeato per un certo tempo limitato, è possibile annullare la TMP, ovvero la forza motrice responsabile del processo di filtrazione. Ne consegue un rilassamento della membrana chiamato relaxation, tale metodologia permette la riduzione della forza che mantiene i composti sporcanti adesi alla superficie filtrante. Per MBR sommersi l’intermittenza di suzione associata ad aerazione (relaxation) è un metodo per la soppressione del fouling (A. Fane, P. Beatson, 2000). Altra tecnica utilizzata per ritardare il fouling è il controlavaggio (back-flush), in cui parte del permeato precedentemente estratto viene pompato con flusso opposto a quello di filtrazione per fornire un’azione idraulica di lavaggio, causando una diminuzione del flusso netto di permeazione. Il permeato impiegato per la portata di controlavaggio può essere o prelevato da un serbatoio nel quale viene stoccato precedentemente, oppure può essere deviata una frazione della portata uscente dalle altre linee di filtrazione. Una temporanea cessazione della suzione con un pompaggio in contro-flusso di una parte di permeato aiuta ad eliminare il cake layer depositato (Chang et al., 2002), tuttavia non vi è una rimozione integrale dello strato di fouling, ad esempio materiali inorganici precipitati sulla superficie della membrana come calcite o struvite non sono prontamente rimovibili con il solo controlavaggio (Yoon et al., 1999). La frequenza ed il flusso del controlavaggio dipendono dalle condizioni operative ed ambientali negli specifici sistemi MBR.

Lavaggio di mantenimento e lavaggio di recupero

Anche con l’utilizzo delle tecniche di controlavaggio e/o relaxation, l’instaurarsi del processo di fouling e conseguentemente la riduzione della permeabilità della membrana è inevitabile. Principalmente possiamo dividere i sistemi di pulizia in:

- Pulizia fisica: per eliminare il materiale estraneo visibile sulla membrana, effettuata mediante getti d’acqua in pressione;

- Pulizia chimica: per la rimozione di tutte le impurità sporcanti; - Pulizia biologica: per liberare la membrana dai microrganismi;

Il lavaggio chimico è il più comune tra questi, se lo sporcamento è organico solitamente si utilizza l’ipoclorito di sodio, mentre nella rimozione di sali inorganici (come ossidi di ferro e manganese) le membrane necessitano di un lavaggio acido (es. acido citrico).

Il lavaggio di mantenimento (MC, manteinence cleaning) è un tipo di lavaggio chimico. La cadenza per gli MC varia tra un minimo di uno fino a quattro alla settimana nel caso di sporcamenti severi.

Anche effettuando i lavaggi di mantenimento, quando il valore del flusso scende sotto un valore di soglia, si ricorre al lavaggio di recupero con l’utilizzo di prodotti chimici, che agiscono in maniera più aggressiva sulle fibre della membrana. Questo lavaggio è efficace nella rimozione del cake layer in presenza di fouling irreversibile. L’obbiettivo dei lavaggi di mantenimento è quindi quello di aumentare il periodo tra un recovery e l’altro, mantenendo un flusso netto di filtrazione più elevato.

Si sottolinea come la temperatura influenzi l’efficienza di pulizia. Per basse temperature sono necessari tempi più lunghi per raggiungere la stessa efficienza ottenuta con alte temperature (Kaiya et al., 2000). Tipicamente la rimozione dei composti organici viene condotta utilizzando ipoclorito di sodio a concentrazioni di cloro attivo estremamente variabili a seconda della membrana. È indispensabile sottolineare come non sempre gli interventi di pulizia chimica siano in grado di ripristinare la

35 permeabilità originaria. Ciò è dovuto al fatto che non tutti i composti sporcanti vengono effettivamente eliminati tramite lavaggio chimico. La complessità del fouling sulle membrane è incrementata dall’attività biologica da cui risulta il biofouling, in tal caso l’utilizzo di ipoclorito determina esclusivamente l’inattivazione della biomassa responsabile del fenomeno, ma non la sua rimozione dalla superficie della membrana.

Attualmente non è possibile riottenere la permeabilità iniziale della membrana nuova, ma il valore della stessa scende ad un livello costante dopo appena pochi lavaggi. Per evitare eccessivi quanto antieconomici lavaggi, va considerato come criterio principale la valutazione del ripristino della permeabilità precedente all’ultimo lavaggio, per comprendere quando un lavaggio è stato efficace o meno.

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