Membrane BioReactors Trattamenti avanzati delle acque reflue FIRENZE 5-6 Giugno 2006
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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
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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)
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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$
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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
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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
*
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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
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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
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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)
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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
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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
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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
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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
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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
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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)
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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
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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
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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)
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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)
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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)
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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?
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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
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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
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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
Malpei, Buttiglieri, Ferraris
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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
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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
MBR in ambiente anaerobico
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Nome relatore
Esperienza in Italia condotta dall’ENEA in collaborazione con IRSA-CNR e Politecnico di Milano
MBR in ambiente anaerobico
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
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Nome relatore
MBR in ambiente anaerobico
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
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34
Nome relatore
MBR in ambiente anaerobico
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)
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Nome relatore
MBR in ambiente anaerobico
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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