11. Trattamento reflui civili con MBR
e successiva affinazione con
nanofiltrazione
1. Tecnologia MBR (Membrane Bio Reactor)
I bioreattori a membrana (MBR) sono una delle tecnologie più interessanti per le applicazioni negli impianti di trattamento delle acque reflue urbane.
I bioreattori a membrana rappresentano una delle principali varianti del sistema convenzionale di depurazione a fanghi attivi: il bioreattore a membrana è, in particolare, una soluzione che si distingue per la compattezza e la facilità di gestione, non essendo richiesta la sedimentazione finale, e quindi si adatta perfettamente a quelle applicazioni in cui è necessario un up-grading di un impianto esistente (vedi caso del depuratore Aquarno).
Nelle tecnologie tradizionali, dove la separazione fango-acqua è ottenuta per mezzo di un sedimentatore statico, l’efficienza del processo di depurazione è funzione della velocità di decantazione dei fiocchi di fango, dalla quale dipende la concentrazione di solidi nella vasca di ossidazione, parametro fondamentale per la buona riuscita del trattamento.
In un reattore MBR, la separazione fango–acqua è assicurata da una membrana ultrafiltrante/microfiltrante e, di conseguenza, la capacità di sedimentazione dei solidi sospesi non potrà condizionare l’efficienza depurativa dell’impianto. Infatti, l’impiego di membrane ultrafiltranti consente di sfruttare tutti i vantaggi del trattamento biologico senza preoccuparsi della capacità di decantazione del fango, che rappresenta uno dei fattori limitanti del processo, operando con parametri sensibilmente diversi rispetto a quelli propri dei tradizionali sistemi di depurazione a fanghi attivi.
senza compromettere la capacità del sistema di filtrazione, con conseguenti economie dal punto di vista dei volumi in gioco. Inoltre, l’accoppiamento dei fanghi attivi alle membrane permette di trattenere i composti solubili ad elevato peso molecolare, di aumentare il tempo di permanenza e pertanto la biodegradazione, ottenendo rendimenti di abbattimento di BOD5 e COD molto elevati.
In Figura 11.1.1 sono riportati a confronto gli schemi di funzionamento di un impianto a fanghi attivi e di uno MBR.
Negli ultimi anni la ricerca ha investito (e continua ad investire) molte energie nello studio e nell’ottimizzazione di questi sistemi, al punto che, dalle prime applicazioni esclusivamente su liquami concentrati (ad esempio il percolato di discarica), si è passato oggi allo studio delle possibili applicazioni a scala reale anche nel trattamento dei liquami municipali; a ciò ha contribuito anche la sensibile riduzione dei costi, accoppiata con l’ottimizzazione gestionale e progettuale della nuova promettente tecnologia depurativa.
Lo schema di funzionamento tipico di un impianto con trattamento MBR.
Questa tecnologia presenta dunque significativi vantaggi rispetto a processi alternativi, che possono essere così riassunti:
- ridotta sensibilità alle variazioni dell'alimento: l’efficienza del processo di ultrafiltrazione non è funzione della sedimentabilità dei fiocchi biologici. Infatti, i fanghi sono trattenuti anche se il bioreattore subisce l’ingresso di una sostanza tossica o un improvviso aumento del carico organico o idraulico o ancora uno choc di pH.
Viceversa, in un impianto a fanghi attivi convenzionale l'efficacia del chiarificatore secondario è strettamente correlata alla sedimentabilità del fiocco. In caso di anomalia, la formazione di batteri filamentosi provoca frequentemente il trascinamento di una
tecnologie tradizionali, con conseguente incremento della capacità depurativa; - controllo accurato dell'età media del fango biologico: dal momento che, “virtualmente”, nessun solido sospeso passa attraverso le membrane di ultrafiltrazione e poiché lo spurgo di fango è strettamente regolamentato, l'età del fango può essere precisamente controllata garantendo in tal modo i parametri gestionali scelti dagli operatori;
- ridotta produzione di fango in contrapposizione ai processi tradizionali: il sistema consente di mantenere un’età del fango decisamente superiore rispetto agli impianti tradizionali, con notevole riduzione della produzione di fango e diminuzioni non trascurabili dei costi di disidratazione e/o smaltimento dei fanghi;
- migliore qualità dell'effluente: le membrane garantiscono una separazione pressoché assoluta dei solidi sospesi, prevenendo il trascinamento di fango biologico responsabile di elevate concentrazioni di COD e Solidi Sospesi nello scarico. Questo aspetto assume grande interesse se si considera che i Solidi Sospesi diventeranno presumibilmente oggetto di limiti ancor più restrittivi rispetto a quelli introdotti dal D.Lgs. 152/99 , limiti che difficilmente potranno essere rispettati con le tradizionali tecnologie di trattamento; - facilità gestionale: l'elevato livello tecnologico espresso dalla linea ne consente una facile gestione. La differenza fondamentale tra il nuovo sistema ed il precedente consiste nella necessità di controllare la linea “B” tenendo conto del fatto che il refluo depurato non sarà scaricato per gravità, ma estratto attraverso pompe di processo. In tal senso, la presenza dell’ultrafiltrazione consente di disporre di un sistema idraulico controllato, nel quale i parametri di lavoro sono monitorati da un sistema elettronico di raccolta e gestione dati, che prevede la possibilità di collegamento anche via modem; - ingombri estremamente contenuti: l'assenza del bacino di sedimentazione, generalmente di notevoli dimensioni, garantisce un elevatissimo risparmio di spazio a
un’apprezzabile riduzione dell’impatto ambientale dell’impianto presso la comunità locale;
- possibilità di riutilizzo del refluo depurato: le caratteristiche dei reflui trattati da un processo di ultrafiltrazione sono tali da consentirne il riutilizzo, per esempio a scopo irriguo. La totale assenza di solidi sospesi, l’elevato abbattimento di COD, colloidi e batteri, rende inoltre tale tecnologia ottima per il pretrattamento di reflui prima di un impianto di nanofiltrazione o osmosi inversa.
A fronte dei vantaggi sopra elencati, lo sviluppo e la diffusione di questa tecnologia saranno probabilmente graduali a causa di alcuni aspetti importanti che devono essere evidenziati:
- è necessario conseguire prestazioni e affidabilità più consolidate, in relazione ad esempio ai problemi legati allo sporcamento delle membrane (fouling);
- il costo energetico, per quanto ridotto di circa 5 volte rispetto ad un reattore MBR a membrana esterna, rimane ancora più elevato rispetto ad un processo convenzionale. Va detto, tuttavia, che sarebbe più corretto confrontare il costo energetico di un MBR con quello connesso ad un processo tradizionale seguito da un trattamento terziario (es.: filtrazione su sabbia), in quanto un bioreattore a membrane realizza un processo integrato secondario-terziario.
In ogni caso, le economie di scala che si riescono ad ottenere, i limiti allo scarico più severi che rendono di fatto obsoleti i processi tradizionali, la necessità di ampliamento di impianti esistenti con limitati spazi a disposizione, le problematiche legate allo smaltimento dei fanghi, la tendenza al riciclo dell’acqua o al suo parziale riutilizzo, almeno nelle zone di limitata disponibilità, sono tutti fattori che giocano a favore dell’affermazione dei sistemi MBRs.
1.1. Tipologia di impianti
Gli impianti MBR, possono essere classificati in: - impianti a membrana esterna
- impianti a membrana interna
La classificazione tiene conto del fatto che le membrane possono essere installate direttamente all’interno della vasca di ossidazione biologica oppure possono essere installate esternamente alla vasca. Le due configurazioni sono rappresentate nella Figura 11.1.2:
Figura 11.1.2 - (a) impianto a membrane esterne , (b) impianto a membrane sommerse
interne
Nel caso di un impianto MBR con membrane poste internamente alla vasca biologica, si ha il vantaggio di non richiedere una movimentazione del refluo e si ha quindi un risparmio energetico sui costi di gestione dell’impianto. Viceversa l’impianto a
1.2. Tipologia di membrane
Le membrane impiegate a livello industriale negli impianti MBR sono generalmente membrane di microfiltrazione o di ultrafiltrazione.
Si opera infatti con membrane cosiddette “low pressure” per ovviare all’eccessivo sporcamento della membrana nel caso queste fossero eccessivamente selettive (ad es. nanofiltrazione o osmosi inversa in cui si raggiungono porosità inferiori a 0.01 µm). Le membrane che si trovano sul mercato hanno geometria diversa a seconda del tipo di costruttore.
Esistono membrane a fibre cave (ZENON, KOCH, U.S. FILTER), con passaggio esterno del liquido da trattare e con il permeato che scorre internamente, oppure piane sommerse (KUBOTA).
Per controllare lo sporcamento, i moduli di filtrazione sono dotati di un sistema di insufflazione di aria che garantisce, attraverso una maggiore turbolenza in prossimità delle fibre, di minimizzare il deposito di biomassa sulla membrana stessa stessa.
Con l’utilizzo di moduli costituiti da un insieme di elementi filtranti è possibile ridurre drasticamente il consumo energetico tipico delle tecnologie di filtrazione tangenziale. La riduzione del consumo energetico è raggiunta utilizzando una pompa centrifuga di estrazione che, creando una leggera depressione (50-350 mbar) all’interno delle membrane, facilita il fluire dell’acqua pulita dalla miscela aerata nella membrana.
I materiali che costituiscono la membrana sono di origine polimerica (PES, PVDF, PS) e variano a seconda del tipo di produttore.
2. Impianto pilota
L’impianto pilota impiegato durante la sperimentazione è stato interamente costruito presso il depuratore Aquarno. Può essere suddiviso in tre sezioni principali:
- una preliminare sedimentazione - l’impianto di depurazione MBR
- l’impianto di nanofiltrazione, in serie a quello MBR
2.1. Preliminare sedimentazione
L’impianto è alimentato con un refluo civile proveniente dal comprensorio del comune di Fucecchio, in arrivo al depuratore Aquarno mediante le condotte fognarie dalle varie stazioni di sollevamento.
Rispetto all’impianto pilota con ultrafiltrazione e nanofiltrazione (v. Cap. 10), cambia quindi il refluo impiegato: nel caso dell’ UF/NF si affina infatti un refluo già depurato uscente dal sedimentatore biologico, in questo caso invece si lavora con un refluo ancora da depurare e grigliare, proveniente direttamente da una stazione di sollevamento, poiché la depurazione e l’abbattimento del carico organico saranno effettuati direttamente dentro l’impianto MBR.
Il refluo da trattare è sottoposto ad una sedimentazione primaria, per allontanare le particelle grossolane e le sabbie, all’interno dei due serbatoi (Figura 11.2.1).
Il sistema di sedimentazione serve anche a garantire una certa autonomia di lavoro, (circa 2ore), poiché l’alimentazione del refluo proveniente dalla stazione di sollevamento è intermittente.
Figura 11.2.1 - preliminare sedimentazione
Il refluo sedimentato è pompato mediante una pompa peristaltica, sino all’impianto pilota MBR, dove entra tal quale nella sezione dedicata alla denitrificazione.
2.2. Impianto pilota MBR
L’impianto MBR, riproduce su piccola scala un sistema di depurazione classico, ossia con denitrificazione, nitrificazione/ossidazione, separazione fanghi e uscita chiarificato. Il flow sheet dell’impianto è riportato in Figura 11.2.2:
La struttura dell’impianto pilota è invece riportata in Figura 11.2.3:
L’impianto pilota ha una capienza di circa 9m3 (2,3 x 1,8 x 2,2 m), è alimentato con una portata di 400 l/h e quindi il tempo medio idraulico di residenza è circa un giorno.
Come si vede dall’immagine, l’impianto è diviso in quattro sezioni che, seguendo il percorso del refluo IN Æ OUT sono:
- denitrificazione
- nitrificazione / ossidazione - sezione membrane
- degassificatore
Sezione di Denitrificazione
Il processo di denitrificazione mira alla rimozione della sostanza azotata, presente in fase acquosa sotto forma di NO3- e in parte di NO2- ad opera di batteri eterotrofi facoltativi denitrificanti che sono in grado di trasformare NO3- quasi interamente in N2 gassoso che si libera quindi nell’atmosfera.
Per ottenere la denitrificazione è fondamentale avere della sostanza organica, che ossidandosi mediante il processo catabolico, porti alla riduzione dei nitrati; la velocità di riduzione è tanto maggiore quanto la sostanza organica fornita è facilmente biodegradabile. Questo è il motivo per cui l’alimentazione fresca viene immessa in vasca di denitrificazione, ossia per fornire un apporto di COD “buono” facilmente digeribile. In vasca oltre che alimentazione fresca entra il refluo ricircolato e deareato proveniente dalla sezione membrane.
La denitrificazione è meno delicata perché è sostenuta da diverse specie batteriche, ma i parametri ambientali da garantire sono la completa anossia della vasca e la disponibilità del supporto carbonioso prontamente biodegradabile. In vasca il
Sezione di Nitrificazione
Obiettivo delle nitrificazione è la trasformazione per ossidazione biologica delle forme ammoniacali dell’azoto presenti nei liquami in forma di nitrati. La motivazione principale che spinge ad attuare questo trattamento è relativo alla sua funzione, integrata con la denitrificazione, di rimozione dell’azoto: la denitrificazione è possibile solo se si parte da azoto in forma nitrica per cui i due sistemi di nitrificazione-denitrificazione sono sempre accoppiati.
Il refluo proveniente dalla sezione di denitrificazione è areato nella sezione di nitrificazione mediante aria fornita da diffusori posti sul fondo della vasca.
I parametri operativi che sono stati controllati durante la sperimentazione sono il tempo di permanenza, la quantità di ossigeno disciolto in vasca e il potenziale redox.
Il refluo è successivamente pompato (con una portata circa 8 volte quella del flusso in ingresso) alla sezione membrane, dove avviene la separazione della fase solida (fango) dalla fase liquida.
Sezione Membrane
La sezione membrane costituisce il cuore dell’impianto MBR, e la differenza tra questo ed un classico impianto a fanghi attivi.
Il fango attivo, prelevato dalla zona di Nitrificazione mediante una pompa peristaltica, entra in questa sezione dove è presente un modulo a membrane immerse fornito da KUBOTA.
Tale modulo è costituito da 25 membrane piane (flat sheet) di superficie 1,2 m2 ciascuna (Figura 11.2.4) , per un totale di 60 m2 di superficie filtrante.
Strutturalmente le membrane, di materiale polimerico (PES), con porosità di 0,4 micron (membrane di microfiltrazione), sono montate su supporti di forma rettangolare, per creare una scatola all’interno della quale verrà aspirato il permeato. I vari pannelli sono montati su un corpo metallico che garantisce la loro immobilità e facilità di montaggio e sostituzione.
Figura 11.2.4 - Membrana piana immersa KUBOTA
Le membrane, collegate le une alle altre mediante un collettore (Figura 11.2.5), sono poste in depressione mediante aspirazione con una pompa centrifuga permettendo la separazione della fase liquida depurata dalla fase solida costituita dalle colonie batteriche (fango attivo).
Figura 11.2.5 - Collegamento membrane al collettore
L’elevata concentrazione di fango in vasca membrane (intorno a 8-12 g/l) forma, a causa della depressione cui le membrane sono sottoposte, un pannello di biomassa
d’aria appositamente insufflate dal fondo per rimuovere continuamente il pannello di fango e mantenere così la membrana pulita (effetto “abrasivo”).
Figura 11.2.6 - Sistema di aerazione sotto le membrane per la rimozione del
pannello di fango
Lo sporcamento della membrana (fouling) è monitorato mediante un manometro che misura la depressione della membrana: a parità di portata estratta, maggiore è infatti la depressione richiesta per aspirare il permeato, maggiore è lo sporcamento della membrana. Per limitare la depressione richiesta, e quindi mantenere la membrana pulita, si può operare sulla portata dell’aria insufflata sotto le membrane per mantenerle pulite.
Sezione degassificazione
Il fango, proveniente dalle membrane, contiene un’elevata quantità di ossigeno disciolto che deve esser allontanato prima di rinviare il refluo alla denitrificazione. La degassificazione è realizzata come una semplice camera di post-trattamento non areata in cui il refluo sosta per circa 1 ora. Il refluo, per gravità, torna quindi nella sezione di denitrificazione.
2.3. Impianto di nanoflitrazione
L’impianto di nanofiltrazione costituisce la parte finale del trattamento delle acque dell’impianto pilota impiegato, ed è identico a quello riportato nel Capitolo 10.
Le acque in uscita da questa sezione sono state utilizzate per i processi di concia delle pelli.
3. Metodologie di analisi delle acque
L’analisi delle acque, sono state effettuate presso i laboratori del Consorzio Aquarno. Oltre alle analisi descritte nel Capitolo 10, sono state effettuate anche ulteriori analisi per valutare e monitorare l’impianto biologico. I parametri quotidianamente misurati e controllati sono stati:
- OD : l’ossigeno disciolto è un parametro chiave per il buon funzionamento
dell’impianto biologico. Ovviamente la presenza di ossigeno è fondamentale per il buon svolgimento di qualsiasi processo aerobico. Il monitoraggio frequente del valore di OD in vasca consente all’operatore di rilevare differenze sostanziali nella richiesta biologica di ossigeno; valori più bassi potrebbero indicare un aumento del carico in ingresso, mentre valori più elevati fanno pensare all’arrivo di un composto tossico o ad una forte diminuzione del carico. E’ da precisare che la misura dell’OD è misurata rispetto al
sedimentabilità e bioflocculazione, o biologiche, la velocità di respirazione e di rimozione del substrato, tuttavia questi parametri sono molto importanti relativamente alla stima della quantità di biomassa.
- ORP : è il potenziale di ossido-riduzione; benché non possa essere considerato un
parametro di controllo vero e proprio, fornisce una tendenza sullo stato di ossido-riduzione del sistema, e relativamente alla rimozione delle sostanze azotate consente di avere utili informazioni sul rapporto delle specie azotate, azoto nitrico e ammoniacale.
4. Conduzione attività sperimentale sulle acque
L’attività sperimentale ha permesso di verificare quelle che sono le prestazioni di un impianto MBR seguito da nanofiltrazione in termini di efficienza di abbattimento degli inquinanti e in termini di resistenza allo sporcamento (fouling). Quest’ultimo aspetto in particolare è molto difficile da prevedere poiché dipende molto da tipo di membrana impiegata, dalla qualità e dalle caratteristiche dell’acqua trattata, dalla conduzione e manutenzione dell’impianto e non ultimo dai pretrattamenti a monte delle membrane. La sperimentazione si è svolta per un periodo di circa 7 mesi ed è tuttora in corso.
4.1. Parametri monitorati
I parametri principali monitorati sull’impianto sono: - Depressione membrana immersa (DP) ;
- Ossigeno disciolto in vasca nitrificazione (OD) ;
- Livello vasca nitrificazione (si è mantenuto costante per garantire gli stessi tempi di ritenzione idrica all’interno dell’impianto MBR nel tempo)
- Pressione in ingresso all’impianto di nanofiltrazione (Pin NF); - Pressione in ingresso alla membrana di nanofiltrazione (Pin,m NF); - Pressione in uscita alla membrana di nanofiltrazione (Pout,m NF);
- Portata volumetrica del permeato in uscita dall’impianto di nanofiltrazione (Qperm. NF));
Tutti i parametri sono stati tenuti sotto controllo tramite i manometri i flussometri e la sonda di ossigeno disciolto presenti nell’impianto e rilevati di regola due volte al giorno, a distanza di circa sette ore. Inoltre tali parametri sono stati rilevati ogni qualvolta è stata apportata una modifica ai settaggi dell’impianto.
Dai parametri sopra citati sono stati ricavati altri parametri importanti per la valutazione delle prestazioni:
- Pressione di trans-membrana (Ptr.): indica la pressione media all’interno della membrana ed è stata calcolata per la membrana di nanofiltrazione secondo le seguenti formule: . 2 ) , , ( .NF Pin mNF Pout mNF Ptr = +
- Permeabilità, è indice dello sporcamente della membrana, in quanto ad una alta permeabilità corrisponde una bassa resistenza al flusso di liquido da permeare, mentre ad una bassa permeabilità corrisponde una alta resistenza, tale resistenza è data proprio dallo sporcamente dei pori della membrana. L’ espressione della permeabilità per la membrana di nanofiltrazione è
) * . ( . . A NF Ptr NF Qperm NF Perm = ,
dove A è l’area attiva della membrana.
4.2. Prestazioni tipiche richieste
I valori di progetto dell’impianto MBR/NF sono:
- Portata volumetrica in entrata all’impianto: 400 l/h - Ossigeno disciolto in vasca di nitrificazione: 1-2 ppm
- Depressione membrane: 50-350 mbar a seconda dello sporcamento della membrana
4.3. Analisi dei risultati
In una prima fase, la sperimentazione è stata focalizzata sullo studio e il monitoraggio dell’impianto MBR. Per accelerare i tempi di avviamento dell’impianto biologico, si è proceduto ad una semina batterica immettendo mediante autobotte, circa 9000 l di fango attivo (concentrazione di 6,4 g/l) prelevato dalla vasca di ossidazione civile dell’impianto Aquarno.
Dopo circa quattro mesi di messa in marcia dell’impianto MBR, è stata installata a valle dell’MBR la sezione di nanofiltrazione.
Di seguito sono riportati, suddivisi per sezione di trattamento, i risultati ottenuti in questa prima fase di lavoro.
• Impianto MBR
Le prestazioni dell’MBR in termini di sporcamento della membrana sono stati valutati analizzando la depressione delle membrane e la quantità di MLSS, ovvero solidi sospesi in vasca.
Di seguito sono riportati i grafici relativi all’andamento di tali parametri
0 2 4 6 8 10 12 14 16 11/06/0 5 02/07/0 5 23/07/0 5 13/08/0 5 03/09/0 5 24/09/0 5 15/10/0 5 05/11/0 5 26/11/0 5 17/12/0 5 07/01/0 6 28/01/0 6 18/02/0 6 giorni ML SS in vasca (g /l) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Dep ressio n e (mb ar) MLSS in vasca Depressione
Dal grafico si può osservare che:
- la quantità di biomassa in vasca raggiunge valori estremamente elevati (fino circa 13 g/l), molto più altri di quelli ottenibili con un tradizionale impianto a fanghi attivi.
- è stato necessario un periodo di circa 4 mesi affinché l’impianto arrivasse ad una condizione di regime, caratterizzata cioè da una depressone delle membrane circa 80-100 mbar e un contenuto di MLSS circa 10-13 g/l.
- La quantità di biomassa si è stabilizzata su valori intorno a 12-13 g/l in quanto da metà novembre si è iniziato ad eliminare fango di supero per non far crescere troppo la quantità di biomassa in vasca e compromettere il funzionamento delle membrane.
- l’andamento della depressione nel tempo segue l’andamento dei MLSS: si può quindi affermare che esista una relazione direttamente proporzionale tra i MLSS e la depressione delle membrane. Tale fatto è inoltre perfettamente in linea con le aspettative: man mano che aumenta infatti la quantità di biomassa nell’impianto, è infatti ovvio che anche il pannello di biofilm che si crea sulle membrane sia maggiore, e che quindi sia necessaria una maggiore depressione sulle membrane per garantire il passaggio del permeato.
- Il valore di depressione delle membrane risulta comunque in termini assoluti molto bassa: depressioni di soli 100 mbar sono infatti molto bassi se si pensa che tali membrane possono lavorare anche con depressioni di circa 350-400 mbar. In generale si può quindi concludere che l’impianto MBR per quanto riguarda lo sporcamento della membrana lavora in maniera ottimale: in circa 7 mesi di lavoro, e nonostante l’elevata concentrazione di MLSS in vasca, l’incremento della depressione
L’unico lavaggio è stato effettuato dopo circa 800 ore di esercizio dopo una riduzione del permeato di circa il 50% (il flusso è passato da 250 l/h a circa 125 l/h). Tuttavia il lavaggio effettuato non è stato completo in quanto per togliere le incrostazioni è bastato l’impiego del solo prodotto acido.
Sono riportati i tre grafici relativi all’andamento di: flusso di permeato NF (Figura 11.4.2), pressione di transmembrana NF (Figura 11.4.3), permeabilità NF (Figura 11.4.4).
Portata volum etrica perm eato nanofiltrazione
100 120 140 160 180 200 220 240 260 0 200 400 600 800 1000 1200
Tempo (h totali lavoro)
Q pe
rm. NF (l/h)
Figura 11.4.2 - Grafico della portata volumetrica del permeato dalla nanofiltrazione Come si può osservare l’andamento della portata è decrescente. Dopo il lavaggio e le successive regolazioni (evidenziati in rosso) la portata si stabilizza su valori più alti in linea con il valore ottimale di 250 l/h. Rispetto alla nanofiltrazione in uscita dall’ultrafiltrazione (vedi Capitolo 10) si osserva una maggiore tendenza allo sporcamento e un andamento meno costante, sintomo quindi di una qualità dell’acqua in
membrana immersa dell’MBR ha una porosità di soli 0.4 µm, e quindi protegge meno la membrana di nanofiltrazione dallo sporcamento.
Pressione transmembrana nanofiltrazione
2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 0 200 400 600 800 1000 1200
Tempo (h lavoro totali)
P
trans. NF (bar)
Figura 11.4.3 - Grafico della pressione trans-membrana nanofiltrazione
Per quanto riguarda la pressione di transmembrana, si osserva dalla Figura 11.4.3 che essa segue un andamento crescente fino a valori intorno a 8,5 bar, dopodiché, in seguito a lavaggio della membrana si riassesta a valori intorno a 5,5 bar.
Perm eabilità membrana nanofiltrazione 0 1 2 3 4 5 6 0 200 400 600 800 1000 1200
Tempo (h lavoro totali)
Pe rme a b ilità NF (l/h*mq*ba r)
Figura 11.4.4 - Grafico della permeabilità della membrana di nanofiltrazione. Per quanto riguarda la permeabilità, si osserva che l’andamento segue perfettamente quello del flusso di permeato, attestandosi, dopo circa 800 ore di funzionamento, a valori circa il 60% rispetto a quello iniziale. A seguito del lavaggio, si osserva un netto incremento della permeabilità, che torna nelle ore successive a diminuire nuovamente.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 200 400 600 800 1000 1200 Tempo (h) P tansmemb (bar), Pe rme a b ilità (l/h*m 2 *bar) 0 50 100 150 200 Flusso permeato (l/h)
Permeabilità NF P transmembrana Flusso permeato
Figura 11.4.5 - Grafico comparativo di: QpermeatoNF, permeabilità NF e P trans-membrana NF.
In generale si può concludere che la nanofiltrazione a monte dell’impianto MBR mostra un funzionamento abbastanza regolare, con tempi di sporcamento inferiori a quelli registrati nella sperimentazione precedente (ultrafiltrazione/nanofiltrazione) ma comunque sempre largamente accettabili per una applicazione industriale.
5. Analisi chimiche
Sono state effettuate quotidianamente le analisi chimiche sui campioni medi relativi a: - refluo civile in ingresso all’impianto MBR;
- uscita permeato MBR;
- uscita permeato nanofiltrazione.
Analisi chimiche quotidiane su campioni medi
• Analisi Impianto MBR
I tipi di analisi effettuati sono quelli descritti nel Capitolo 10.
Per quanto riguarda l’impianto MBR, è stata fatta particolare attenzione al monitoraggio del processo biologico, pertanto i paramenti analizzati sono stati il COD, i fosfati e gli elementi del ciclo dell’azoto per valutare l’effettiva efficacia della sezione di denitrificazione. Di seguito sono riportati gli andamenti nel tempo di tali parametri.
0 50 100 150 200 250 300 350 17/06/05 17/07/05 16/08/05 15/09/05 15/10/05 14/11/05 14/12/05 13/01/06 12/02/06 giorni COD (mg/l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Rimozione %
0 10 20 30 40 50 60 70 17/06/05 17/07/05 16/08/05 15/09/05 15/10/05 14/11/05 14/12/05 13/01/06 12/02/06 giorni Concentrazioni OUT (mg/l) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Conc e n tra zioni IN (mg/l)
N-ammoniacale OUT Nitrati OUT Nitriti OUT Fosfati OUT N-ammoniacale IN
Figura 11.5.2 - Andamento nel tempo del ciclo dell’azoto e dei fosfati uscenti dall’MBR
Dai grafici si osserva che:
- il carico organico in ingresso è molto variabile (100-300 mg/l), ma l’impianto mostra una ridotta sensibilità alle variazioni del carico organico in ingresso, evidenziando un COD in uscita molto basso (compreso tra 10 e 25 mg/l) e una rimozione che si attesta a valori intorno al 90-92%;
- l’analisi del ciclo dell’azoto evidenzia l’efficienza delle sezioni di nitrificazione/denitrificazione che, dopo un primo mese di assestamento, permettono una buona riduzione del N ammoniacale in ingresso;
• Analisi Impianto nanofiltrazione
Per quanto riguarda l’impianto di nanofiltrazione, sono state effettuate analisi quotidiane sull’ingresso alla membrana e all’uscita della membrana dei seguenti parametri: - pH - COD - Solidi sospesi (TSS) - Solfati (SO42-) - Cloruri (Cl-) - Fosfati (PO43-) - Durezza temporanea - Durezza permanente
Le metodologie di analisi, sono quelle seguite anche nella precedente sperimentazione con membrane UF/NF, e riportate nel Capitolo 10.
Nel corso della sperimentazione sono state effettuate anche alcune analisi microbiologiche e specifiche per alcuni metalli pesanti (Fe, Cr, Mn, B, Al, Ni).
Si riporta di seguito una tabella in cui sono riassunti i valori medi ottenuti nel corso delle analisi per l’impianto MBR e nanofiltrazione.
Ingresso civile Uscita MBR Uscita NF % rimozione totale
pH 7,7 7,85 6,9 TSS (mg/l) 35 2 0 100 % COD 155 20 6 94 % SO42- (mg/l) 60 56 2 97 % Cl- (mg/l) 190 190 165 15 % PO43- (mg/l) 2,3 2,1 0,05 97 % Durezza tot. (°F) 29 27 11 62 % Durezza perm. (°F) 11 10 5 54 % Fe (µg/l) 111 45,9 18 84 %
Al (µg/l) 188 147 95 49 % B (µg/l) 428 418 390 8 % Mn (µg/l) 85,4 7,2 5,7 93 % Carica batterica totale 22°C 1930 1350 <1 100 %
Tabella 11.5.1 - Tabella riassuntiva analisi chimiche impianto MBR/nanofiltrazione Come si può osservare, l’acqua in uscita dalla membrana di nanofiltrazione, mostra caratteristiche analitiche molto buone, con totale assenza di solidi sospesi, bassi valori di COD, solfati e durezza.
La membrana di nanofiltrazione si può concludere che lavora molto bene, riducendo la durezza di circa il 50-55% e il contenuto in ioni bivalenti trivalenti di oltre il 90%. Anche le analisi chimiche dei metalli hanno evidenziato elevati abbattimenti, che mediamente si aggirano intorno a valori del 50%.
Per quanto riguarda le analisi batteriche, si osserva inoltre la completa sterilizzazione ottenuta con l’ausilio della membrana di nanofiltrazione.
In conclusione, si può quindi affermare che l’impianto MBR/NF, funziona bene sia da un punto di vista dello sporcamento delle membrane, sia in termini di abbattimento dei composti inquinanti; a tale proposito è inoltre da osservare che l’acqua in uscita dalla membrana di nanofiltrazione rispecchia i limiti imposti dal DM 185 (vedi Appendice B) sul riutilizzo delle acque reflue.
