Membrane BioReactors Trattamenti avanzati delle acque reflue FIRENZE 5-6 Giugno 2006 Le prospettive...

Membrane BioReactors Trattamenti avanzati delle acque reflue

FIRENZE 5-6 Giugno 2006

Le prospettive di sviluppo e upgrading dei bioreattori a membrana

Francesca Malpei, Gianluigi Buttiglieri - Politecnico di Milano

Marco Ferraris – Centro Ricerche Trisaia ENEA

2

Nome relatore

MBR: stato dell’arte

Malpei, Buttiglieri, Ferraris

Notevole sviluppo di impianti a medio-larga scala (>2000 m3/d) per il trattamento municipale delle acque di scarico in Europa

Swanage, (UK) (2000) 13,000 m3/d (Kubota)

ASM Brescia (2002): 42,000 m3/d (Zenon)

Kaarst (DE) (2003): 45,000 m3/d (Zenon)

Westbuty (UK) (2002) 3,500 m3/d (Kubota)

Buxton (UK) (2004) 10,000 m3/d (Zenon)

Varsseveld (NL) (2004) 18,000 m3/d (Zenon)

(Melin et al., 2006)

3

Nome relatore

MBR: stato dell’arte

Filtration Industry Analyst, Novembre 2005: fino a 1000 nuovi impianti MBR verranno costruiti annualmente (*)

Il mercato MBR cresce con un tasso annuo del 10.9%

Il mercato MBR è soprattutto in mano a produttori non europei.

Globalmente > 2200 installazioni MBR operative o in costruzione (*)

(* Yang et al., 2006)

Glo

bal

Mar

ket

($ M

illi

on

s)

Stima 2010:363 milioni US$


4

Nome relatore

Costi di energia 0.05 euro/1 kWh

Sistema Consumo kWh.m-3

Costo

Euro/m3

Esterne 1-3 0.05-0.15

Immerse

(controllo fouling)

0.1-0.30.005-0.015

Aerazione 0.3-0.6 0.015-0.03

Membrane euro/m2

Flusso

l.m-2h-1

10 50 100

40 0.08 0.016 0.008

80 0.16 0.032 0.016

100 0.2 0.04 0.02

Costo membrane(6 anni durata)

Euro/m3 acqua trattata

(Ben Aim et al., 2003)

MBR: costi energetici

Costi membrane immerse < costi membrane esterne

Il costo energetico può in alcuni casi superare il costo delle membrane


5

Nome relatore

Costo delle membrane

MBR: costo delle membrane

* Yoon et al., 2004

0

100

200

300

400

500

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005

anno

Co

sto

mem

bra

ne

$ al

m2

*


6

Nome relatore

MBR: aspetti da migliorare

Aspetti tecnico-impiantistici da considerare:

• Controllo del fouling• Riduzione degli EPS• Riduzione dei consumi energetici per aerazione e

funzionamento • Disidratabilità dei fanghi• Sviluppo di nuove membrane• Valutazione del fattore di corrosione di alcuni

materiali costruttivi (per condizioni T e pH particolari)• Ottimizzazione dei cicli di pulizia dei moduli filtranti• Valutazione del ciclo di vita


7

Nome relatore

(Yang et al., 2006)

La maggior parte delle recenti ricerche su MBR:• Problema del fouling• Caratterizzazione microbica• Ottimizzazione parametri operativi

Come si muove la ricerca MBR a livello mondiale…

Numero pubblicazioni mondiali sugli MBR


8

Nome relatore

Priorità EC in tema trattamento delle acque

La sempre maggiore scarsità di acque pulite, sicure e potabili viene descritta come “l’unica minaccia enorme per la salute, l’ambiente e la sicurezza alimentare globale”*

Direttiva quadro sulle acque → politica integrata per la gestione delle risorse idriche.

Molti dei piccoli sistemi di fornitura non sono conformi.

I grandi sistemi centralizzati devono fornire ininterrottamente acque affidabili.

• Processi di trattamento efficienti ed economici• Re-immissione delle acque reflue nel ciclo idrologico senza effetti

dannosi• Schemi multi-barriera e metodologie di controllo

(* http://cordis.europa.eu)


9

Nome relatore

CALL: SUSTDEV-2004 Advances in membrane bio-reactor technologies for municipal wastewater treatment

Sviluppo nelle tecnologie dei bioreattori a membrana per il trattamento delle acque di scarico municipali ed in particolare:

Avanzamenti negli aspetti ingegneristici dei processi Riduzione dei costi per ottenere soluzioni

economicamente efficienti

Attenzione alla performance delle membrane (tenendo conto dei flussi, necessità di pulizia, durate dei moduli, etc)

Attenzione all’efficienza energetica


10

Nome relatore

Progetti europei Approvati

In risposta alle call specifiche sono stati approvati:

AMEDEUS ed EUROMBRA (STREP) Riuniscono 25 università, centri di ricerca, imprese e gestori Capofila: Wasser Berlin Centre 3 milioni di € ciascuno di finanziamento comunitario (indotto

complessivo di 6 milioni di €)

MBR-TRAIN (Network of excellence) 10 partners dall’industria ad istituti di ricerca e università Coordinatore: RWTH Aachen University. Tra i partner: Cranfield University, Kompetenzzentrum Wasser,

Politecnico di Milano, Ghent University 2 milioni di € di finanziamento comunitario

AMEDEUS EUROMBRA MBR-TRAIN


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Nome relatore

Progetti AMEDEUS ed EUROMBRA

OBIETTIVI:

Ridurre i costi operativi e di capitale Aumentare la quota di mercato CE negli impianti MBR

piccoli (da 50 a 2000 p.e. standardizzati ed autonomi) a media scala (fino a 100.000 p.e. ) ed upgrade di impianti a

scala più grande

Rafforzare il potenziale di riutilizzo non potabile

Organizzare trasferimento di tecnologie verso

l’Europa meridionale ed orientale


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Nome relatore

EUROMBRA ed AMEDEUS: obiettivi specifici

• controllo del fouling e clogging sia a micro che macro scala utilizzo di flocculanti, enzimi agenti adsorbenti sviluppo di sensori on-line, misure fotometriche, etc incremento dei flussi con agenti contro il fouling organico

•ottimizzazione dell’aerazione per: favorire o mantenere la bioattività prevenire il fouling rimuovere il fouling

• impatto di picchi di carico

• modellizzazione biologica degli MBR valutazione dei possibili impatti sulla speciazione e diversità microbica


No Background Flow

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

Gas flow Rate (L/min)

dP

/dt

Small Bubbles (approx4mm)

Cap bubbles (approx20x20x5mm)

Large Bubbles (approx20x20x20mm)

Molte piccole bolle meglio di poche grandi?

La dimensione ottimale deve ancora essere trovata

Su

ctio

n P

ress

ure

R

ise

dT

MP

/dt

13

Nome relatore

• analisi del comportamento a lungo termine della permeabilità e aspetti idrodinamici

analisi della dimensione granulometrica e analisi chimiche del particolato (EPS, SMP, etc)

impatto della geometria del reattore influenza del tempo di contatto tra acqua e fango

• sviluppo di tecnologie innovative di pulizia dei moduli filtranti MBR e ottimizzazione

• impatto della sedimentazione primaria, trasferimenti di massa e calibrazione dei parametri ASM

• valutazione dello smaltimento dei fanghi

EUROMBRA ed AMEDEUS: obiettivi specifici


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

NOSEDO

am 17

/03

NOSEDO

am 08

/05

NOSEDO

am 17

/05

NOSEDO

t 17/0

3

NOSEDO

t 08/0

5

NOSEDO

t 17/0

5

NOSEDO

d 08

/05

NOSEDO

d 17

/05

ISPRA

CAMERI 06/

04

CAMERI 04/

05

PRATO 0

5/04

PRATO 1

8/05

Co

nc

en

tra

tio

n (

mg

/gT

SS

)

SMP

EPS

ConvenzionaleMBR

Da approfondire le differenze MBR-convenzionale

14

Nome relatore

MBR – TRAIN: progetti europei 1/2

Lo sviluppo della tecnologia MBR necessita multi-disciplinarietà:

mutue interazioni tra sistema biologico e separazione ad opera delle membrane

conoscenze necessarie in chimica analitica, microbiologia, costruzione di polimeri, fluido-dinamica, ingegneria chimica e civile, etc.

Tra i progetti:

• Influenza delle proprietà dei materiali delle membrane (Aachen) impatto degli agenti chimici pulenti sulle membrane prove con diverse tipologie di membrane soggette a dosi e

chimici diversi con monitoraggio dei materiali (distribuzione dei pori, cut-off, morfologia superficiale, etc.)


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Nome relatore

MBR – TRAIN: progetti europei 2/2

• Destino di alcuni POPs (metalli, pesticidi, inquinanti di origine tessile) in MBR per usi potabili (Politecnico di Milano)

Stima dell’adsorbimento e della degradazione (respirometria e microcalorimetria)

ricerca metaboliti valutazione inibizione

• Ottimizzazione dei costi negli MBR a piena scala Impianto a piena scala (230 m3/h); valutazione dei costi;

implementazione misure operative per riduzione costi di esercizio (Aquafin- Belgio)

• Modellizzazione matematica e controllo di processo (Ghent)

• Studi a scala di laboratorio, pilota ed a piena scala


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Nome relatore

Sviluppi futuri del sistema MBR

Rimozione di sostanze pericolose ed endocrine-disrupters

Trattamento reflui concentrati e recalcitranti (percolato, alimentare, solventi clorurati, allevamenti e tessile, etc)

MBR anaerobici e fermentazione assistita

Rimozione dei nitrati nelle acque potabili e

risanamento di acque sotterranee

Ampio spettro di riutilizzi, anche per ricarica falda


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Nome relatore

Sostanze pericolose ed endocrine-disrupters

Molti e diversi gruppi di microinquinanti:

Metalli ed altri inorganici Idrocarburi policiclici aromatici ed alifatici Prodotti fitosanitari e biocidi (pesticidi, prodotti per la casa,

disinfettanti, etc) VOC Farmaceutici?

entrano negli scarichi domestici e quindi nei WWTP

solo parziale rimozione → rintracciati nelle acque di scarico (range ng-gL-1) sopra i limiti normativi (DM 152/06)

(Clara et al., 2005, Joss et al., 2006)


18

Nome relatore

Rimozione di sostanze pericolose negli MBR

Il sistema MBR

può favorire l’acclimatamento di batteri specifici per la rimozione di interesse → aumento rimozione biologica

trattiene il particolato ed i composti ad elevato peso molecolare → aumento rimozione fisico-meccanica

Se opera ad SRT elevati riduce la frazione rimossa per adsorbimento → riduzione della rimozione fisica


19

Nome relatore

Rimozione di sostanze pericolose negli MBR

Nel sistema MBR, data la carenza di dati di letteratura, per molte delle sostanze risulta necessario valutare :

• componente biodegradativa della rimozione • componente adsorbita sulla biomassa • analisi dei possibili metaboliti e loro tossicità • inibizione o eventuali fattori co-metabolici


20

Nome relatore

0

50

100

150

200

250

300

ketoprofene Naprossene dichloprop

Co

nce

ntr

azio

ne

(ng

/l)

Convenzionale MBR

Rimozione di sostanze farmaceutiche negli MBR

In relazione alla struttura molecolare riscontrate tre categorie:

1. Rimosse sia dai convenzionali che MBR (ad es. ibuprofen)

2. Non efficacemente rimosse (ad es. acido clofibrico, dichlorop, etc)

3. Rimossi efficacemente da MBR ma non da convenzionale (ketoprofene, acido mefenamico, naprossene, etc)

(Kimura et al., 2005; Urase et al., 2005)

Co

nce

ntr

azio

ne

ou

t (n

g/l)


21

Nome relatore

Rimozione di tensioattivi negli MBR

In talune condizioni ottima rimozione tensioattivi anionici (94% *)

Necessaria attenzione alla tossicità dei residui recalcitranti

(*Dhouib et al., 2005)(Terzic et al., 2005, Petrovic et al., 2003)

Acqua reflua MBR rimozione 87% Convenzionale rimozione 74%

Acidi nonilfenolcarbossilici (NPnEC)

Nonilfenolo (NP)

Nolilfenoli mono e di-etossilati (NP1EO + NP2EO)

Nonilfenoli polietossilati (NPnEO)


22

Nome relatore

Prove di Adsorbimento su MBR e convenzionale

Rimozione di atrazina negli MBRPolitecnico di Milano, 2005

Q 250 l/d

SST MBR 5,6-6,9 gSST/l

Carico COD 0,125 gCOD/(gSST*d)

C/N 1,4-1,8 gC/gN

Atrazina IN 10 g/l

Carico atrazina 1.79 mgATR/(gSST*d)

C iniziale (g/l)q/m (g/gSS)

MBRq/m (g/gSS)

Gavirate

5 0.218 0.000

10 0.840 0.000

20 2.019 0.951

50 4.402 3.583

100 16.536 14.937

> adsorbimento MBR

Sperimentazione Febbraio-Novembre 2005

y = 1.5328x - 1.5972R2 = 0.9754

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

log Cequilibrio (g/l)

log

q ( g

/gS

S)


23

Nome relatore

Rimozione di atrazina negli MBRPolitecnico di Milano, 2005

Rimozione impianto Pilota MBR

0

2

4

6

8

10

12

12-lug 01-ago 21-ago 10-set 30-set 20-ott 09-novtempo (d)

g/l

Impi

anto

fer

mo

pompa alimentazione

ingresso

Rimozione > solo adsorbimento

Ridotta degradazione?


24

Nome relatore

MBR per la rimozione dei metalli

IN (mg/l) OUT (mg/l) Rimozione (%)

As 2 0.7 65.0

Hg 7.95 0.5 93.7

Cu 53.9 2.2 95.9

Pb 9.6 2.5 74

Cd 0.5 <0.25 >50

Ni 8.65 1.8 79.2

Cr 18.5 4.7 74.6

Zn 461 <50 >90.2

Fe 1766 <50 >97.2

Al 1592 <50 >96.9

Fatone et al., 2005


25

Nome relatore

MBR per la rimozione dei nitrati su acque destinate ad scopo potabile

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

01-ago 26-ago 20-set 15-ott 09-nov 04-dic 29-dic 23-gen 17-feb

mg N

-NO

3/l

0

20

40

60

80

100

120

e (

%)

N-NO3 den e (%)

Q=350 l/d Q=450 l/d

2,510

2,28,8

28

Q=250 l/d

limite CD/EC/98

1,97,6

1,76,8

1,24,8

1,45,6

C/NCOD/N

Politecnico di Milano, 2005Malpei, Buttiglieri, Ferraris

26

Nome relatore

Politecnico di Milano, 2005

MBR per la rimozione dei nitrati su acque destinate ad scopo potabile

-35

-25

-15

-5

5

15

25

35

18-feb 09-mar 29-mar 18-apr 08-mag 28-mag 17-giu 07-lug 27-lug

kPa

-1

0

1

2

3

4

5

6

m3/h

pressione di processo

p prove in bianco con acqua di lago

Aria soffiante

250 l/d 375 l/d 500 l/d

2,7 m3/h 2 m3/h 2,7 m3/h3,5 m3/h

TMP: Funzionamento regolare


27

Nome relatore

MBR per la rimozione di reflui industriali concentrati (in campo agro-industriale)

Impianto dimostrativo MBR reflui suinicoli (Rovere)

Caratteristiche del permeato:

• SST < 10 mg/l• Colore: rimozione elevata • Odore: totalmente assente• Rimozione carica microbica

Rozzi - Malpei 2003

INUFC/100ml

OUTUFC/100ml

Rimozione (log)

T. Coli 17.200.000 3,5 6,69

F. Coli 15.050.000 2 6,88

E. Coli 14.100.000 1 7,15

possibile il riuso

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

10.0000

9/0

5/0

1

18

/5/0

1

27

/5/0

1

05

/06

/01

14

/6/0

1

23

/6/0

1

02

/07

/01

11/0

7/0

1

20

/7/0

1

29

/7/0

1

07

/08

/01

16

/8/0

1

25

/8/0

1

03

/09

/01

12

/09

/01

21

/09

/01

30

/09

/01

09

/10

/01

18

/10

/01

DATE

CO

D in

(m

g/l)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

CO

D o

ut (

mg

/l)

COD in

COD out


28

Nome relatore

Trattamento reflui industriali concentrati (percolato) con sistema MBR-MBBR

• COD: 0.1 – 100 g l-1

• Azoto ammoniacale: 0.1 – 5 g l-1

Ossidazione dell’ammoniaca arrestata a nitrito

→Ottime rimozioni COD e ammoniaca

} influente

Canziani - Malpei, 2004

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

1 22 43 64 85 106

127

148

169

190

211

232

253

274

295

tempo (d)

kgC

OD

(kg

SS

T d

)-1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Carico del fango Rimoz COD

Alta biodegradabilità per alte età del fangoAlta biodegradabilità per alte età del fango


29

Nome relatore

Sistemi avanzati MBR

sistemi MBR con inoculo di batteri specifici (enhanced MBR) efficace per rimozione di COD e NH4

(con tempi di acclimatamento inferiori) rispetto ad un MBR standard. (Jin et al., 2005)

Utilizzo affiancato MBR con altre tecnologie: ad es carboni attivi (buoni risultati per percolato, Wintgens et

al., 2003)

Il sistema MBR potrebbe risultare risolutivo anche per sostanze recalcitranti


30

Nome relatore

MBR in ambiente anaerobico

Applicazioni condotte prevalentemente a scala banco o pilota (eccetto ADUF)

Prevalente utilizzo di membrane esterne (tubolari) di tipo cross-flow implementate in schemi side-stream

Risultati poco incoraggianti in quanto le estreme condizioni idrodinamiche necessarie per la filtrazione tipo cross-flow possono influenzare:

• L’attività della biomassa anaerobica • la filtrabilità del fango a causa del maggior rilascio di SMP ed

EPS


31

Nome relatore

A fronte delle problematiche descritte si sta iniziando a valutare anche l’applicabilità delle membrane di tipo sommerso

Vantaggi attesi:

• Minori costi di installazione• Minori costi di gestione• Minori impatti sull’efficienza del processo biologico

Strategia di pulizia della superficie filtrante basata sull’insufflazione di grosse bolle di biogas prodotto dal processo biologico



32

Nome relatore

Esperienza in Italia condotta dall’ENEA in collaborazione con IRSA-CNR e Politecnico di Milano


Caratteristiche Impianto pilota:

• Reattore completamente miscelato

• Volume reattore 10 – 30 Litri

• Fibra cava immersa ZENON

• Ricircolo del biogas prodotto per garantire la miscelazione del mixed liquor e la turbolenza necessaria per la pulizia delle membrane

• Refluo sintetico


33

Nome relatore


Condizioni operative

Min Max media

Carico organico

[g COD/L*day] 0.85 1.49 1.3

COD entrata

[mg/L] 1747 3021 2560

COD uscita

[mg/L] 148 574 223


34

Nome relatore


Primi risultati ottenuti

• Verificata la funzionalità dello schema impiantistico

• Elevata efficienza di abbattimento COD (attestata intorno al 95%

dopo 10 giorni dallo start-up) con resa di produzione del metano

pari a 0,32 NLitriCH4/gCOD

• In condizioni cautelative di funzionamento verificata una buona

filtrabilità del fango (TMP stabile per 60 giorni pari a 2,5 kPa ad

un flusso di 8,6 L/m2*h ed assenza di lavaggi chimici)


35

Nome relatore


TMP & SSV

0

1

2

3

4

5

6

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0

[giorni]

[kP

a]

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

[mg

/L]

TMP aspirazione [kPa]TMP controlavaggio [kPa]SSV [mg/L]


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