Ottimizzazione dell‘idrodinamica

Appare ancora lontana la definizione di criteri di ottimizzazione per tutti i parametri geometrici ed operativi che influenzano l‘idrodinamica degli impianti MBR (dimensioni del reattore, altezza idrica, spaziatura tra le membrane, altezza del modulo, dimensioni ed ubicazione degli aeratori, dimensioni delle bolle, tasso di aerazione) da cui potrebbero derivare regole di progettazione. A causa della complessità del sistema, pur essendo state finora effettuate numerose ipotesi semplificative nel corso

delle indagini sperimentali e numeriche, sono state recentemente proposte in tal senso alcune misure costruttive e strategie operative.

Progettazione del reattore/modulo e ottimizzazione del crossflow multifase

Nel tentativo di ottimizzare la progettazione del sistema di diffusione dell‘aria alla base dei moduli, Fane et al. (2005) e Yeo et al. (2006) stimando le sollecitazioni tangenziali mediante Particle Image Velocimetry, ritengono che sia da privilegiare l‘aerazione a bolle fini. Al contrario, Phattaranawik et al. (2007) hanno osservato una riduzione del 20% della richiesta di aria aumentando le dimensioni delle bolle. Negli MBR sommersi, la cattiva distribuzione delle bolle desta grande preoccupazione. Lee et al. (2009) hanno suggerito il posizionamento dei diffusori nelle vicinanze del punto di aspirazione perché lì la TMP è più alta e quindi la porosità del cake è inferiore.

A causa della cattiva distribuzione dell‘aria per i moduli di membrane piane, Ndinisa et al. (2006) hanno introdotto deflettori capaci di aumentare la superficie interessata dall‘aria, inducendo però una diminuzione della velocità di circolazione a causa della resistenza supplementare dovuta ai deflettori.

In un‘indagine relativa al trattamento di reflui tessili con reattore a membrana, Hai et al. (2008) hanno raggiunto una buona prevenzione del fouling utilizzando moduli costruiti avvolgendo intorno ad essi un distanziale rigido tale da evitare l‘eccessiva intrusione dei fanghi e consentire una più efficace pulizia. Ulteriori riduzioni del consumo di aria e di prodotti chimici si sono registrate quando il modulo è stato posto all‘interno di una gabbia di prefiltrazione a grande porosità (50-200 µm). Ivanovic e Leiknes (2008) hanno seguito un approccio simile, realizzando un comparto di sedimentazione della biomassa prima della filtrazione, al fine di ridurre la concentrazione di SSML direttamente a contatto con la membrana.

Al fine di incrementare l‘abrasione del cake, alcuni studiosi hanno introdotto nella miscela liquida supporti del biofilm o particelle abrasive circolanti. Aggiungendo spugne in poliestere-uretano in quantità pari al 10% del volume del reattore, Ngo et al. (2008) hanno ottenuto un miglioramento della permeabilità e della qualità dell‘effluente. Una minore quantità di biomassa sospesa ha, inoltre, incrementato la filtrabilità (Leiknes et al., 2006; Lee et al., 2006). Anche quando i supporti non sono venuti a diretto contatto con la membrana, il fouling è risultato comunque inferiore (Sombatsompop et al., 2006), nonostante la

84

biomassa adesa abbia un potenziale di fouling molto superiore a quello dei fanghi attivi (Lee et al., 2001).

L‘aumento della permeabilità può essere ottenuto negli MBR aerobici anche mediante granulazione dei fanghi, perché a causa della bassa compressibilità dei granuli, la permeabilità del cake è maggiore (Li et al., 2005; Tay et al., 2007). Tuttavia, il fouling irreversibile appare più severo rispetto agli MBR convenzionale a causa dei colloidi e soluti generati (Zhou et al., 2007).

Molta attenzione è stata inoltre riposta nel miglioramento delle condizioni nelle immediate vicinanze del modulo. Il brusco cambiamento di direzione del flusso dalla regione discendente a quell‘ascendente causa significative perdite di energia per attrito: è stato così progettato un bordo liscio del tubo per ottenere basse perdite di curvatura e di conseguenza maggiori velocità di circolazione (Prieske et al., 2010). Altro miglioramento è stato ottenuto disponendo gli aeratori sul fondo del reattore piuttosto che all‘ingresso del tubo dove comportano soltanto la riduzione della sezione e il rallentamento del flusso.

Il flusso ottimale, capace di ridurre al minimo il costo globale, è maggiore del flusso ottimizzato per l‘input minimo di energia (Fane et al., 2005). Verrecht et al. (2008) hanno presentato un modello semplice, basato su una combinazione di dati empirici per quanto riguarda lo scuotimento delle membrane e modellazioni biocinetiche per ridurre al minimo il fabbisogno energetico derivante dall‘aerazione, assumendo una relazione lineare tra la permeabilità della membrana e l‘aerazione della stessa fino ad un valore soglia. Il modello è stato validato prendendo a riferimento due impianti a scala reale.

È dimostrato che si possono ottenere riduzioni significative dei consumi energetici per l‘aerazione operando a basso flusso di permeato e diminuendo di conseguenza il fabbisogno di aria della membrana. La velocità superficiale dell‘aria all‘interno del modulo è un parametro fondamentale con riferimento agli sforzi di taglio alla parete ed alla velocità di circolazione del liquido e quindi alla tensione di taglio globale esercitata. Per lo scuotimento delle membrane è attualmente utilizzato il solo movimento verso l‘alto dell‘aria; il prossimo passo per l‘ottimizzazione energetica sarà quello di sfruttare anche il flusso discendente (Drensla et al., 2010).

Start-up della filtrazione

La filtrazione ciclica, con interruzioni dovute al controlavaggio o al rilassamento, è una strategia consolidata per la mitigazione del fouling. Quando la filtrazione è riavviata, si forma un nuovo strato di deposito la cui struttura dipende dalle condizioni idrodinamiche in prossimità della membrana. Al fine di proteggere la membrana dalle particelle fini, dai colloidi o polimeri che si tradurrebbero in un‘elevata resistenza idraulica, Wu et al. (2008) hanno proposto una nuova modalità di filtrazione con elevati flussi istantanei (60 l m-2 _h-1_{) per brevi periodi (1-2 minuti) seguiti} da un flusso inferiore. Tale procedura limita il fouling irreversibile perché si forma un grosso strato reversibile che protegge la membrana. I benefici di tale operazione sono stati confermati anche dall‘osservazione di minori quantità di SMP e SSML sulla membrana.

Susanto et al. (2008) hanno analizzato la quantità di polimeri che si diffondono verso la membrana o sono adsorbiti ad essa senza un flusso imposto, e sono giunti a una conclusione simile, riferendo che flussi troppo bassi favoriscono la formazione di strati resistenti di fouling costituiti dai composti più piccoli.