docente francesco fatone anno accademico · carico organico di 10 kg cod per m3 di vino o 7 kg per...

Trattamento reflui e rifiuti di cantina

DocenteFrancesco Fatone

- Lezione 8 -

DocenteFrancesco Fatone

Anno Accademico

2009-2010

Applicazione dibioreattori a membrana

(MBR)

Lezione 8-Trattamento reflui 2

Applicazione dibioreattori a membrana

(MBR)

Carico organico di 10 kg CODper m3 di vino o 7 kg per ton diuva trattata

0,2 – 6 litri per litrodi vino prodotto

50-60% del carico concentrato in3-4 mesi

3Lezione 8-Trattamento reflui

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

set-01 gen-02 giu-02 nov-02 apr-03 set-03 feb-04 lug-04

months

Flow rate (m3/d)COD LOAD (kg/d)

hy

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

set-01 gen-02 giu-02 nov-02 apr-03 set-03 feb-04 lug-04

months

Flow rate (m3/d)COD LOAD (kg/d)

hy

Media settimanale 2001-2004 (base 2,500 kg/d COD)


Normalmente trattati in sistemi a fanghiattivi convenzionali

Rimozione del COD del 90-95% …. Quindi COD effluente anche a livelli di500-1,000 mg/L COD Alte richieste di ossigeno Reflui sbilanciati (C:N > 30) e variabili: cattiva sedimentazione e fuga disolidi…


Nei sistemi a fanghi attivi convenzionali le caratteristichedi sedimentazione determinano il risultato del processo

Direttamente

IndirettamenteRidotta elasticità di processo in relazione al vincolo della“salvaguardia” delle prestazioni dei sedimentatori

Solidi nell’effluente, quindi scarsa qualità !


BioreattoreSedimentatore

PERMEATOPERMEATO

BioreattoreBioreattore a membrana (MBR)a membrana (MBR)


“immerse”

Alloggiamento dei moduli filtranti


“side-stream”

MICROFILTRAZIONESolidisospesi

Batteri

Emulsioni

Macromo-lecole

Colloidi

Virus

Proteine

Compostibasso P.M.

ioni

ULTRAFILTRAZIONE

Membrane utilizzate in MBRMembrane utilizzate in MBR

NANOFILTRAZIONE

OSMOSI INVERSA

Solidisospesi

Batteri

Emulsioni

Macromo-lecole

Colloidi

Virus

Proteine

Compostibasso P.M.

ioni

9

Fangoattivo

Permeatoda UF

Effluente dasedimentatoreconvenzionale

Lezione 8-Trattamento reflui

Vantaggi e svantaggi degli MBR

• Piccolo ingombro (X elevato Vbioreattore piccolo !)

• Rimozione completa dei solidisospesi dall’effluente

• Disinfezione dell’effluente• Bassa produzione di fango di

supero• Possibilità di operare

trascurando i problemi legati allasedimentabilità del fango

• Possibilità di operare ad elevateetà del fango

• Possibilità di operare ad elevateconcentrazioni di biomassa

• Caratteristiche modulari• Riutilizzo dell’effluente senza

ulteriori trattamenti

• Limitazioni nell’aerazione• Sporcamento della membrana• Costi

VANTAGGI SVANTAGGI• Piccolo ingombro (X elevato V

bioreattore piccolo !)• Rimozione completa dei solidi

sospesi dall’effluente• Disinfezione dell’effluente• Bassa produzione di fango di

supero• Possibilità di operare

trascurando i problemi legati allasedimentabilità del fango

• Possibilità di operare ad elevateetà del fango

• Possibilità di operare ad elevateconcentrazioni di biomassa

• Caratteristiche modulari• Riutilizzo dell’effluente senza

ulteriori trattamenti


Consente di progettare con logiche tese al riutilizzo della risorsaidrica a diversi livelli di qualità:

11

Blocher et al., (2002), Desalination 144, 143-150


0

100

200

300

400

500

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005

anno

Cost

o m

embr

ane

$ al

m2

Alti costi di investimento ma in forte decrescita


0

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1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005

anno

Cost

o m

embr

ane

$ al

m2

CLASSIFICAZIONE DELLEMEMBRANE


Definizione di membrana

Una membrana può essere intesa come unabarriera fisica attraverso la quale alcunesostanze possono passare più facilmenterispetto ad altre.

La proprietà di selettività di una membrana èalla base della progettazione e della scelta delprocesso che si intende applicare.

Una membrana può essere intesa come unabarriera fisica attraverso la quale alcunesostanze possono passare più facilmenterispetto ad altre.

La proprietà di selettività di una membrana èalla base della progettazione e della scelta delprocesso che si intende applicare.


Classificazione delle membrane

La classificazione delle membrane industriali puòessere fatta secondo tre caratteristicheprincipali:

1. Il tipo di forza spingente utilizzata percondurre la filtrazione;

2. La dimensione dei pori del filtro;3. Il tipo di materiale di fabbricazione.

La classificazione delle membrane industriali puòessere fatta secondo tre caratteristicheprincipali:

1. Il tipo di forza spingente utilizzata percondurre la filtrazione;

2. La dimensione dei pori del filtro;3. Il tipo di materiale di fabbricazione.


Tipo di forza che guida il processo

• Gradiente di pressione (ΔP) tra l’interno el’esterno della membrana: utilizzata inprocessi di microfiltrazione (MF),ultrafiltrazione (UF), nanofiltrazione (NF),osmosi inversa (RO).

• Gradiente di campo elettrico (ΔE):elettrodialisi

• Gradiente di concentrazione (ΔC): dialisi

• Gradiente di pressione (ΔP) tra l’interno el’esterno della membrana: utilizzata inprocessi di microfiltrazione (MF),ultrafiltrazione (UF), nanofiltrazione (NF),osmosi inversa (RO).

• Gradiente di campo elettrico (ΔE):elettrodialisi

• Gradiente di concentrazione (ΔC): dialisi


Grado di “porosità” superficialeLe membrane si distinguono in:

• Dense (dimensione dei pori fino a 1,0 nm): il processo diseparazione per le membrane dense è guidato dal grado diinterazione chimico-fisica tra i componenti da filtrare ed ilmateriale di fabbricazione, ovvero dal grado di selettività(capacità di permeazione è definita anche in base al pesomolecolare di “cut-off” (MWCO) del soluto espresso in Dalton)

• Porose (dimensione dei pori tra 1 nm e 10 µm): realizzano laseparazione meccanicamente con processi molto simili allafiltrazione convenzionale (NB: il processo di filtrazione è funzionedella sola dimensione delle particelle sospese presenti !!!)

Le membrane si distinguono in:

• Dense (dimensione dei pori fino a 1,0 nm): il processo diseparazione per le membrane dense è guidato dal grado diinterazione chimico-fisica tra i componenti da filtrare ed ilmateriale di fabbricazione, ovvero dal grado di selettività(capacità di permeazione è definita anche in base al pesomolecolare di “cut-off” (MWCO) del soluto espresso in Dalton)

• Porose (dimensione dei pori tra 1 nm e 10 µm): realizzano laseparazione meccanicamente con processi molto simili allafiltrazione convenzionale (NB: il processo di filtrazione è funzionedella sola dimensione delle particelle sospese presenti !!!)


Processi di filtrazione con applicazione di ungradiente di pressione (Pressure Driven Processes)

ProcessoDimensione dei pori

(μm)MWCO

(Da)

Osmosiinversa 0.0001 < 100

Nano-filtrazione 0.001 200Nano-filtrazione 0.001 200

Ultra-filtrazione 0.01 20000

Micro-filtrazione 0.1 500000


MICROFILTRATIONSuspendedSolids

Bacteria

Emulsions

Macro-molecules

Colloids

Virus

Proteins

Low MW

Ions

ULTRAFILTRATION


NANOFILTRATION

REVERSE OSMOSIS

SuspendedSolids

Bacteria

Emulsions

Macro-molecules

Colloids

Virus

Proteins

Low MW

Ions

Caratteristiche e applicazioni:microfiltrazione (MF)

Processo a bassa pressione (1÷5 bar) usato per la separazione deisolidi sospesi. In genere si usa la filtrazione a flusso tangenziale (v=1÷8 m/s) , ma oggi anche dead-end

Campi di applicazione: chiarificazione secondaria; trattamentoterziario, riutilizzo-idrico (come pre-trattamento),pretrattamento per RO, trattamento del percolato,disinfezione


Caratteristiche e applicazioni:ultrafiltrazione (UF)

La tecnica utilizzata è per lo più quella dead-end ed è unprocesso a bassa pressione (<1-7 bar). Rimuovono solidisospesi e macromolecole

Campi di applicazione: riutilizzo delle acque, trattamento delpercolato, disinfezione, irrigazione, pretrattamento per RO


Ultrafiltrazione per riutilizzo industriale: industria alimentare

Il refluo proveniente da una industria alimentare (Q=120 m3/h) vuole essere riutilizzato comeacqua di raffreddamento per i processi industriali (al posto dell’ acqua potabile). Il trattamentodi ultrafiltrazione non riesce ad eliminare i Sali (Na+ e Cl-), dunque è necessario aggiungere unostep di osmosi inversa.


Caratteristiche e applicazioni: osmosi inversa

Processo ad alta pressione (30-80 bar) usato per la separazione fino allesostanze ioniche in soluzione. La pressione osmotica è direttamenteproporzionale al gradiente di concentrazione.

Campi di applicazione: potabilizzazione di acque di superficie e saline


Materiali di fabbricazione

Le membrane possono essere di materiali:• Organici: per lo più polimerici (PTFE=poli tetra

fluoroetilene, polipropilene, poliammide,acetato di cellulosa, polisolfone etc.). Inquesto caso la “membrana” è un film sottile, ilresto è supporto !!!

• Inorganici: ceramici o metallici (biossido dititanio, biossido di zircone)

Le membrane possono essere di materiali:• Organici: per lo più polimerici (PTFE=poli tetra

fluoroetilene, polipropilene, poliammide,acetato di cellulosa, polisolfone etc.). Inquesto caso la “membrana” è un film sottile, ilresto è supporto !!!

• Inorganici: ceramici o metallici (biossido dititanio, biossido di zircone)


Proprietà che rendono migliore laconfigurazione di una membrana

• Elevata superficie specifica (Area della membrana/ Volumedel modulo)

• Elevato grado di turbolenza sulla superficie di alimentazione,per favorire il trasferimento di massa

• Basso consumo di energia per unità di volume trattato• Basso costo specifico (costo per unità di superficie della

membrana)• Design che faciliti le operazioni di lavaggio e manutenzione• Design che faciliti la creazione di moduli, ovvero la possibilità

di essere facilmente assemblabile

• Elevata superficie specifica (Area della membrana/ Volumedel modulo)

• Elevato grado di turbolenza sulla superficie di alimentazione,per favorire il trasferimento di massa

• Basso consumo di energia per unità di volume trattato• Basso costo specifico (costo per unità di superficie della

membrana)• Design che faciliti le operazioni di lavaggio e manutenzione• Design che faciliti la creazione di moduli, ovvero la possibilità

di essere facilmente assemblabile


Configurazioni


Plate and frame“Plate and frame”: è formata da un gran numero di membrane

porose piane disposte tra un certo numero di lamine chedanno resistenza al modulo


Membrane sommerse con flusso OUT IN


Modulo a spirale avvoltaConfigurazioni semplici e buona superficie specifica; è la configurazione

standard per moduli di MF e RO.Una membrana a spirale avvolta è composta da una “busta” formata da: fogli

di membrana porosa e da particolari reti in plastica che hanno lo scopo diformare una camera nella quale passa l’alimentazione. Il tutto è avvolto suun tubo plastico forato posto centralmente dove si raccoglie il permeato.


Modulo tubolareSono dotate di un ampio diametro interno, sono da preferire quando la

turbolenza dell’influente ed una frequente pulizia sono dati importanti peril processo.

L’alimentazione passa all’interno di un tubo che è composto da una struttureportante sulla cui superficie interna è depositata la membrana vera epropria.


Moduli a fibre cave sottili

Sono autoportanti, hanno elevata superficie specifica ebassi costi; operano generalmente con flussi didirezione esterna-interna.



SupportoMembrana

polimerica

Caratteristiche peculiari delle varie configurazioni

Configuration Area/volumeratio (m2/m3)

Cost Turbulencepromotion

Advantages Disadvantages Applications

Pleated cartridge 800 – 1000 Low Very poor Robustconstruction,compactdesign

Easily fouled,cannot becleaned

Dead end MF

Plate-and-frame 400 – 600 High Fair Can bedismantledfor cleaning

Complicateddesign, cannotbe backflushed

ED, UF, RO

Spiral-wound 800 – 1000 Low Poor Low energycots, robustand compact

Not easilycleaned,cannotbackflush

RO, UFSpiral-wound 800 – 1000 Low Poor Low energycots, robustand compact

Not easilycleaned,cannotbackflush

RO, UF

Tubular 20 – 30 Very high Very good Easilymechanicallycleaned,tolerates highTSS waters

Replacementcost

Cross-flowfiltration,high TSSwaters

Hollow fibre 5000 – 40000 Very low Very good Can bebackflushed,compactdesign,tolerates highcolloid levels

Sensitive topressureshocks

MF, UF, RO


TEORIA DELLA FILTRAZIONE SUMEMBRANA

TEORIA DELLA FILTRAZIONE SUMEMBRANA


Flussi del processo

1. Alimentazione: carica di agenti inquinanti2. Permeato: flusso uscente che ha attraversato

la membrana, ha minore (o nullo) contenutoin solidi e inquinanti

3. Ritenuto: flusso uscente che non haattraversato la membrana, è moltoconcentrato e di conseguenza carico diinquinanti

1. Alimentazione: carica di agenti inquinanti2. Permeato: flusso uscente che ha attraversato

la membrana, ha minore (o nullo) contenutoin solidi e inquinanti

3. Ritenuto: flusso uscente che non haattraversato la membrana, è moltoconcentrato e di conseguenza carico diinquinanti


Direzioni del flussoOrtogonale (o totale: “Dead End”):

utilizzato preferibilmente per reflui abasso contenuto di solidi sospesi (ho2 flussi perché il concentrato è dallostesso lato dell’alimentazione)

Tangenziale (Cross Flow):utilizzato per reflui ad altocontenuto in solidi (ho 3 flussi:alimentazione, concentrato epermeato)


• Flusso: J = Q/A con J, flusso, L/m2h (LMH), Q portata, L/h, A, superficie, m2

• Fattore di permeazione: esprime la percentuale di permeato ottenutorispetto al flusso di alimentazione

I fattori generali di processo: definizioni (1)

Q C

QR CR

Q = QP + QR Q C = QP CP+ QR CR

QP CP

Q C

100QQP


I fattori generali di processo: definizioni (2)

100Cin

CCR P

in• Fattore di rigetto:

Cin=concentrazionedell’elemento nella correntedi alimentazione

Cp=concentrazionedell’elemento nelpermeato

• Molecular Weight Cut Off (MWCO): peso molecolare del solutoche corrisponde ad un valore di rigetto con R=0,95

• Molecular Weight Cut Off (MWCO): peso molecolare del solutoche corrisponde ad un valore di rigetto con R=0,95

A seconda della distribuzione dellagrandezza dei pori si parla di membranecon “sharp cut off” o di “diffuse cut off”


Pressione trans-membrana (TMP)L’energia necessaria per il funzionamento dei processi a membrana vienefornita da una pompa, che viene utilizzata per pressurizzare il liquido dialimentazione o “risucchiare” il permeato in modo tale da consentirne ilpassaggio attraverso la membrana e la circolazione all’interno del modulo.A causa della resistenza della membrana si viene pertanto a determinareuna differenza di pressione fra i due lati della membrana, definitapressione trans-membrana (TMP), che rappresenta la forza motrice per lapermeazione. L’espressione per il calcolo della pressione trans-membranaè diversa a seconda del tipo di flusso.

Cross-flow


PRA PPPTMP

2 PA = pressione di alimentazione; PR = pressionedel ritenuto; PP = pressione del permeato(in atm, o bar)

TMP = PA - PP

Cross-flow

Dead - end

Temperatura

La temperatura influenza in maniera significativa leprestazioni delle membrane a causa della variazione dellaviscosità dell’acqua.

Pertanto i valori del flusso e della permeabilità determinatialle varie temperature di prova vanno normalizzati ad unatemperatura di riferimento prima di poterli confrontare fraloro.Solitamente l’impatto della temperatura viene corretto,convertendo il valore trovato alla temperatura T a quella diriferimento a 20°C, mediante la relazione di Arrhenius:


Pertanto i valori del flusso e della permeabilità determinatialle varie temperature di prova vanno normalizzati ad unatemperatura di riferimento prima di poterli confrontare fraloro.Solitamente l’impatto della temperatura viene corretto,convertendo il valore trovato alla temperatura T a quella diriferimento a 20°C, mediante la relazione di Arrhenius:

)20(20 025,1 T

T JJ

Fattori che si oppongono alla filtrazione

•l’aumento della concentrazione del soluto respinto inprossimità della membrana (indicato con il termine diconcentrazione di polarizzazione CP), che è unaconseguenza della selettività della membrana;•l’adsorbimento di particelle e soluti sulla membrana perl’esistenza di forze attrattive;•la precipitazione di macromolecole poco solubili (conformazione di un “gel layer”), come nella UF, o di salipoco solubili (scaling), sulla membrana (come nella RO);•l’accumulo di materiale solido sulla membrana conformazione di una torta (“cake”) come nella MF.


•l’aumento della concentrazione del soluto respinto inprossimità della membrana (indicato con il termine diconcentrazione di polarizzazione CP), che è unaconseguenza della selettività della membrana;•l’adsorbimento di particelle e soluti sulla membrana perl’esistenza di forze attrattive;•la precipitazione di macromolecole poco solubili (conformazione di un “gel layer”), come nella UF, o di salipoco solubili (scaling), sulla membrana (come nella RO);•l’accumulo di materiale solido sulla membrana conformazione di una torta (“cake”) come nella MF.

Meccanismi di deposito nei processi cross flowDurante la filtrazione una porzione di solidi è portata sulla superficie dellamembrana da trasporti convettivi, allo stesso tempo una porzione di solvente èrimossa dal fluido. Questo porta alla creazione di strati ad alta concentrazione disoluto (rispetto al bulk del reattore) in prossimità della membrana.


Concentrazione di polarizzazioneCon questa definizione si descrive la tendenza di un soluto adaccumularsi sulla membrana

In prossimità della membrana lavelocità decresce e laconcentrazione del solutoaumenta

Questo fenomeno di accumulo:

1. Rallenta la permeazione delsoluto per l’instaurarsi difenomeni di diffusione diritorno

2. Crea gradienti diconcentrazione tra le duesuperfici della membrana(ritenuto e permeato) cosìelevati da consentire lapermeazione anche allemolecole trattenute

Questo fenomeno di accumulo:

1. Rallenta la permeazione delsoluto per l’instaurarsi difenomeni di diffusione diritorno

2. Crea gradienti diconcentrazione tra le duesuperfici della membrana(ritenuto e permeato) cosìelevati da consentire lapermeazione anche allemolecole trattenute


Sporcamento (Fouling): definizioneFouling è un termine generico utilizzato per indicare un processo che determinal’incremento della resistenza al moto di permeazione attraverso la membrana dovutonormalmente al deposito e all’adsorbimento sulla superficie della membrana e nei pori dimateriale contenuto nella corrente di alimentazione.

Il fouling può essere dovuto alle seguenti cause:•deposito ed adsorbimento di solidi, sostanze colloidali organiche e inorganiche,macromolecole, microrganismi•precipitazione di sali disciolti poco solubili (scaling)•formazione di biofilm dovuti a microrganismi (bio-fouling)•danni alla membrana causati da acidi, basi, pH estremi, cloro libero, batteri, pressionie temperature elevate.


Il fouling può essere dovuto alle seguenti cause:•deposito ed adsorbimento di solidi, sostanze colloidali organiche e inorganiche,macromolecole, microrganismi•precipitazione di sali disciolti poco solubili (scaling)•formazione di biofilm dovuti a microrganismi (bio-fouling)•danni alla membrana causati da acidi, basi, pH estremi, cloro libero, batteri, pressionie temperature elevate.

Da un punto di vista operativo il fouling provoca una riduzione del flusso ed unaumento della pressione, richiede frequenti pulizie delle membrane, aumenta iconsumi di energia e riduce il tempo di vita delle membrane. Viene consideratoreversibile il fouling dovuto a materiale accumulato sulla superficie della membranache può essere rimosso con le normali operazioni di lavaggio, eseguite con cadenzaperiodica, previste dal protocollo di pulizia. Viene considerato irreversibile ilfouling dovuto a sostanze che bloccano i pori della membrane e per la cui rimozione ènecessario effettuare un lavaggio chimico con opportune miscele di prodotti alloscopo di ripristinare le condizioni iniziali di permeabilità.

Sporcamento (Fouling) - 2E’ il termine generale che indica il processo per cui varie specie presenti nel refluo provocanofenomeni che incrementano la resistenza della membrana; questo può avvenire attraversoprocessi di deposito e accumulo sulla superficie o all’interno della membrana.

I tre meccanismi di membrane fouling più frequenti sono:

a- gel/cake formation: causato dalla concentrazione di polarizzazione

b- pore plugging: causato da particelle che si incastrano nei pori delle membrane causandone lacompleta occlusione

c- pore narrowing: causato da particelle che si accumulano sulla superficie interna dei pori

I tre meccanismi di membrane fouling più frequenti sono:

a- gel/cake formation: causato dalla concentrazione di polarizzazione

b- pore plugging: causato da particelle che si incastrano nei pori delle membrane causandone lacompleta occlusione

c- pore narrowing: causato da particelle che si accumulano sulla superficie interna dei pori

Thin membrane skin

Thin membrane skin

Thin membrane skin

(a)

(c)

(b)


Sporcamento (macro-fenomeno)


Concause del foulingIl fouling è causato da molteplici parametri chimico-fisici:

• proprietà della superficie della membrana (chimiche,morfologiche).

• condizioni fluidodinamiche del reattore• cariche superficiali della membrana e interazioni con il refluo• concentrazione del soluto.

Tra i singoli componenti quelli che sono maggiore causa difouling nel caso di MF e UF sono proteine e colloidi.

Nei bioreattori a membrana (MBR) aerobici i polimeriextracellulari (EPS) prodotti dai batteri hanno grossa influenzasui fenomeni di fouling

Il fouling è causato da molteplici parametri chimico-fisici:

• proprietà della superficie della membrana (chimiche,morfologiche).

• condizioni fluidodinamiche del reattore• cariche superficiali della membrana e interazioni con il refluo• concentrazione del soluto.

Tra i singoli componenti quelli che sono maggiore causa difouling nel caso di MF e UF sono proteine e colloidi.

Nei bioreattori a membrana (MBR) aerobici i polimeriextracellulari (EPS) prodotti dai batteri hanno grossa influenzasui fenomeni di fouling


Rimedi per il fenomeno del fouling

• Pre-trattamenti spinti (es., setacciatura)• Controlavaggi delle membrane (automatici)• Aerazione intensa (portata d’aria specifica 1m3/m2h)• Lavaggi (bagni) e controlavaggi con chemicals

appropriati in relazione al tipo di fouling (da materiaorganica (NaClO), da batteri (NaClO), da metalli (ac.citrico), etc…)

• Sostituzione delle membrane nel caso di intasamentiirreversibili

• Pre-trattamenti spinti (es., setacciatura)• Controlavaggi delle membrane (automatici)• Aerazione intensa (portata d’aria specifica 1m3/m2h)• Lavaggi (bagni) e controlavaggi con chemicals

appropriati in relazione al tipo di fouling (da materiaorganica (NaClO), da batteri (NaClO), da metalli (ac.citrico), etc…)

• Sostituzione delle membrane nel caso di intasamentiirreversibili


PROGETTAZIONE DI UN’UNITA’ AMEMBRANA

PROGETTAZIONE DI UN’UNITA’ AMEMBRANA


Progettazione di una unità a membrana

Il primo step consiste nel caratterizzare il refluo da trattare in modo dascegliere il processo di filtrazione più adeguato. I dati a base progettosono:

1. Qi: Portata da trattare2. Vi: Velocità del refluo da trattare3. Pi: Pressione operativa4. Percentuale di permeato che si vuole ottenere5. Dimensione dei pori della membrana

Il primo step consiste nel caratterizzare il refluo da trattare in modo dascegliere il processo di filtrazione più adeguato. I dati a base progettosono:

1. Qi: Portata da trattare2. Vi: Velocità del refluo da trattare3. Pi: Pressione operativa4. Percentuale di permeato che si vuole ottenere5. Dimensione dei pori della membrana


Progettazione di una unità a membrana:procedura (1)

1. Velocità e pressione si fissano nei range consigliati, a seconda del processoscelto.

2. In generale si fa l’ipotesi, a vantaggio di sicurezza, che con un processo amembrana si riesca a far permeare tutto l’influente (Qi=Qu). In realtà laquantità di permeato sarà il 70-80% dell’influente in funzione del tipo diinfluente.

3. Fissati i dati a base progetto, si passa alla scelta dei moduli a membrana di cui siconosce permeabilità e le dimensioni (Superficie di filtrazione, sezionetrasversale, lunghezza, etc)

4. Nota la portata da trattare e la permeabilità, si calcola la superficie difiltrazione necessaria alla permeazione di tutto il refluo

5. Note la Qi e la Vi, si calcola la minima sezione trasversale Sc richiesta dalprocesso tramite: Qi=Vi*Sc

6. Confrontando Sc così calcolata con Si (area della sezione trasversale del modulo:dato fornito dal costruttore), si sceglie il modulo più consono (es: 1 tubo, 7 tubi,etc)

7. Scelto il modulo, quindi nota la superficie reale di filtrazione (dato fornito dalcostruttore), si calcola il numero dei moduli necessari dividendo Sc per lasuperficie di filtrazione del singolo modulo

1. Velocità e pressione si fissano nei range consigliati, a seconda del processoscelto.

2. In generale si fa l’ipotesi, a vantaggio di sicurezza, che con un processo amembrana si riesca a far permeare tutto l’influente (Qi=Qu). In realtà laquantità di permeato sarà il 70-80% dell’influente in funzione del tipo diinfluente.

3. Fissati i dati a base progetto, si passa alla scelta dei moduli a membrana di cui siconosce permeabilità e le dimensioni (Superficie di filtrazione, sezionetrasversale, lunghezza, etc)

4. Nota la portata da trattare e la permeabilità, si calcola la superficie difiltrazione necessaria alla permeazione di tutto il refluo

5. Note la Qi e la Vi, si calcola la minima sezione trasversale Sc richiesta dalprocesso tramite: Qi=Vi*Sc

6. Confrontando Sc così calcolata con Si (area della sezione trasversale del modulo:dato fornito dal costruttore), si sceglie il modulo più consono (es: 1 tubo, 7 tubi,etc)

7. Scelto il modulo, quindi nota la superficie reale di filtrazione (dato fornito dalcostruttore), si calcola il numero dei moduli necessari dividendo Sc per lasuperficie di filtrazione del singolo modulo


Progettazione di una unità a membrana:procedura (2)

8. La perdita di carico tangenziale ΔP attraverso il modulo può essere stimata per unfluido newtoniano attraverso la formula già vista:

ΔP=0.04 v1.87p µ0.25

dove: ΔP=perdita di carico tangenziale, in barv=velocità del refluo di alimentazione, in m/sp=massa specifica del fluido, in kg/dm3

µ=viscosità del fluido in cP (1 cP=10-3 Pa s)per acqua a 20°C la formula si ridurrebbe a ΔP=0.04 v1.87

Operativamente per poter mantenere all’interno della membrana la pressione stabilita, ènecessario utilizzare valvole di regolazione in prossimità degli sbocchi delconcentrato e del ritenuto. Inoltre si deve monitorare la pressione all’interno delmodulo membrane e procedere alla pulizia della stessa quando si registrano valorisuperiori a quello di progetto

8. La perdita di carico tangenziale ΔP attraverso il modulo può essere stimata per unfluido newtoniano attraverso la formula già vista:

ΔP=0.04 v1.87p µ0.25

dove: ΔP=perdita di carico tangenziale, in barv=velocità del refluo di alimentazione, in m/sp=massa specifica del fluido, in kg/dm3

µ=viscosità del fluido in cP (1 cP=10-3 Pa s)per acqua a 20°C la formula si ridurrebbe a ΔP=0.04 v1.87

Operativamente per poter mantenere all’interno della membrana la pressione stabilita, ènecessario utilizzare valvole di regolazione in prossimità degli sbocchi delconcentrato e del ritenuto. Inoltre si deve monitorare la pressione all’interno delmodulo membrane e procedere alla pulizia della stessa quando si registrano valorisuperiori a quello di progetto


Progettazione di una unità a membrana:esempio numerico (1)

Per il trattamento di un refluo a monte di una sezione di osmosi inversa, si vuole progettareuna unità di microfiltrazione su membrana. I dati a base progetto sono i seguenti:

•Dimensioni dei pori della membrana = 0.5 µm

•Permeabilità della membrana=2500 l/m2h

•Portata influente= 300 m3/d

Calcolo della minima sezione trasversale necessaria al trattamento della portata in questione:

Q=v S

Dove: Q=Qi; v=vi (velocità tangenziale)= da scegliere nel range consigliato; S=Sc (sezionetrasversale)= da determinare

Fissato v= 1 m/s

Sc= Q/v = 300 (m3/d)/1 (m/s) = 0.00347 (m3/s)/1 (m/s) = 0.00347 m2= 34.7 cm2

Per il trattamento di un refluo a monte di una sezione di osmosi inversa, si vuole progettareuna unità di microfiltrazione su membrana. I dati a base progetto sono i seguenti:

•Dimensioni dei pori della membrana = 0.5 µm

•Permeabilità della membrana=2500 l/m2h

•Portata influente= 300 m3/d

Calcolo della minima sezione trasversale necessaria al trattamento della portata in questione:

Q=v S

Dove: Q=Qi; v=vi (velocità tangenziale)= da scegliere nel range consigliato; S=Sc (sezionetrasversale)= da determinare

Fissato v= 1 m/s

Sc= Q/v = 300 (m3/d)/1 (m/s) = 0.00347 (m3/s)/1 (m/s) = 0.00347 m2= 34.7 cm2



Si confronta il valore della sezione trasversale ottenuto (Sc) con I valori dei moduli amembrana disponibili

Scelto il modulo 150, sempre dalla relazione Q= v S, si verifica la portata trattabile:

Qtrattabile= v Sf = 0.0037 *1= 0.0037 m3/s= 13.32 m3/h > 12.5 m3/h (Qi da trattare)

La superifcie necessaria per ottenere il 100% di permeato sarà:

S=Qi/2500 (l/m2 h)= 12500 (l/h)/2500 (l/m2/h)= 5 m2

Il numero (n) di moduli (modello 150) da utilizzare sarà:

n= 5 m2/ 2.8 m2= 254Lezione 8-Trattamento reflui


La caduta di pressione all’interno di un singolo modulo sarà:

ΔP= 0.04 v1.87= 0.04*1= 0.04 bar

La caduta di pressione totale sarà: ΔPtot= 0.04*2= 0.08 bar

Supponendo che la pressione operativa di processo sia di 1 bar, si dimensionerà il modulodi filtrazione in modo da avere in ingresso (1+0.08) = 1.08 bar


Metodo semplificato

• nota la portata (m3/h)• scelta del modulo filtrante• noto il flusso caratteristico del modulo filtrante prescelto (LMH,l/m2h)• nota l’area di un singolo modulo filtrante• si determina l’area filtrante necessaria complessiva (aumento 30%)• si determina il numero di moduli filtranti necessari


• nota la portata (m3/h)• scelta del modulo filtrante• noto il flusso caratteristico del modulo filtrante prescelto (LMH,l/m2h)• nota l’area di un singolo modulo filtrante• si determina l’area filtrante necessaria complessiva (aumento 30%)• si determina il numero di moduli filtranti necessari

I numeri dell’azienda

produzione di vini e spumanti + imbottigliamento in conto terzi

400,000 hL venduti nel 2008

30% da uve proprie e 70% da imbottigliamento

60% per esportazione in 30 Paesi, Germania e Scandinavia in primis

Un caso di studio:trattamento di reflui di cantina in MBR

per il riutilizzo della risorsa idrica

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produzione di vini e spumanti + imbottigliamento in conto terzi

400,000 hL venduti nel 2008

30% da uve proprie e 70% da imbottigliamento

60% per esportazione in 30 Paesi, Germania e Scandinavia in primis


Wastewater, 100 m3/d

Mix tank80 m3

Bioreactor,325 m3

Drum siever, 1 mm holes

Mem

bran

es

Impianto MBR

58

Mix tank80 m3

Bioreactor,325 m3

Sludgethickening Permeate to

reuse(washing)

Mem

bran

esDisposal

Recycle


Parametro um valore

Portata media, Qmn m3/d 100

Portata di punta, Qp m3/h 20

pH 6,5 – 8,5

COD load kg/d 600

Parametri di progettazione

59

COD load kg/d 600

BOD load kg/d 250

BOD (OLR) Kg/m3d 0,77

Carico sul fango (F/M) Kg/kgMLVSSd 0,06

N total kg/d 8,5

P total kg/d 0,3


Caratteristiche del modulo filtrante

Parametro

Marca Kubota

Membrana Plate and frame

Intervallo di filtrazione MF (0,4 µm)

Flusso 15-20 LMH

Numero di moduli 400

60

Numero di moduli 400

Superficie filtrante 276 m2

Densità d’aria sulla membrana 1 m3/m2 per ora

Cleaning NaClO


0

80

160

240

320

400

0

400

800

1200

1600

2000

COD load O

UT, kg/dCO

D lo

ad I

N, k

g/d

LCOD in

LCOD out

Performances dell’MBR nel periodo 2006-2008

61

0

80

160

240

320

400

0

400

800

1200

1600

2000

COD load O

UT, kg/dCO

D lo

ad I

N, k

g/d

LCOD in

LCOD out

Picchi di carico non solo in vendemmia !


Zoom: COD nell’estate – autunno 2007

62

4 g/L influent COD 8 g/L influent COD


Zoom: azoto estate-autunno 2007


Parametri di processo dell’MBR nel periodo di osservazione

Parametro Valore

Refluo trattato 110 m3/d

Carico organico (OLR) 1,5 – 2,0 kgCOD/m3day

Fango attivo (MLSS) 9 – 12 kg/m3

Carico sul fango (F:M) 0,15 kgCOD/kgMLVSSday

Età del fango (SRT or MCRT) 60 days

64

Età del fango (SRT or MCRT) 60 days

Crescita del fango (resa) 0,11 kgMLVSS/kgCOD rimosso


Bilanci di materia

il bilancio di materia sul COD mostra che il 68% è rimosso perrespirazione, il 26% da nuova biomassa e solo il 6% è rinvenuto nelpermeato

il bilancio di materia per l’azoto mostra che il 50% è assimilato perla crescita cellulare, il 10% nel permato, mentre il rimanente èdenitrificato nelle zone anossiche che si determinano in vasca a causadi elevate concentrazioni di carico organico e biomassa

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il bilancio di materia sul COD mostra che il 68% è rimosso perrespirazione, il 26% da nuova biomassa e solo il 6% è rinvenuto nelpermeato

il bilancio di materia per l’azoto mostra che il 50% è assimilato perla crescita cellulare, il 10% nel permato, mentre il rimanente èdenitrificato nelle zone anossiche che si determinano in vasca a causadi elevate concentrazioni di carico organico e biomassa


Caratteristiche dell’effluente per il riutilizzo interno

Parameter Influente(media)

Effleunte(media)

Rimozione%

TSS mg/L 350 < 1 > 99%COD mg/L 4700 < 250 > 95%COD solubile mg/L 4000 < 250 > 95%N totale mgN/L 65 < 10 > 85%TKN mgN/L 25 < 2 > 92%N-NO3 mgN/L 40 < 10 > 75%P totale mgP/L 35 < 10 > 70%

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Parameter Influente(media)

Effleunte(media)

Rimozione%

TSS mg/L 350 < 1 > 99%COD mg/L 4700 < 250 > 95%COD solubile mg/L 4000 < 250 > 95%N totale mgN/L 65 < 10 > 85%TKN mgN/L 25 < 2 > 92%N-NO3 mgN/L 40 < 10 > 75%P totale mgP/L 35 < 10 > 70%< 2

Eventuali criticità:

- SAR (Na/√(Ca+Mg/2)- Rame- Solfiti- Pesticidi (clorurati, fosforati, altri)


Utility Potenza installata, kW

Griglia a tamburo 0,55

Equalizzazione (mixer) 1,1

Sollevamento 2 x 1,1

Aerazione 22

I consumi energetici effettivi

67

Aerazione 22

Membrane scouring 7,5

Pompaggio permeato 2 x 0,5

Ricircolo fanghi 1,1


Distribuzione delle Potenze


Consumi specifici: 3kWh/m3 o 1 kWh/kgCOD

69

Letteratura: 2,15 – 3,75 kWh/m3 di refluo trattato nell’industriaalimentare (Judd, 2006, The MBR Book)


Caratteristiche evidenziate dal sistema studiato

il reattore MBR è in grado di fronteggiare forti variazioni di caricoidraulico ed organico mantenendo ottime prestazioni: si è osservatarimozione del COD al 95% anche per un carico di 2 kgCOD/m3day;

l’effluente prodotto presenta caratteristiche sostanzialmente idonee alriutilizzo “in-house” per la pulizia di pavimenti e macchine. L’eventualeimplementazione della RO consentirebbe riutilizzo in imbottigliamento;

i consumi specifici di energia sono (ad oggi, col solo MBR) nell’intervallo2,0 – 3,6 kWh/m3 e mediamente pari a 3 kWh/m3 o 1 kWh per kg CODrimosso, valori del tutto in linea con quanto riscontrato nelle applicazioni diMBR nell’industria alimentare

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il reattore MBR è in grado di fronteggiare forti variazioni di caricoidraulico ed organico mantenendo ottime prestazioni: si è osservatarimozione del COD al 95% anche per un carico di 2 kgCOD/m3day;

l’effluente prodotto presenta caratteristiche sostanzialmente idonee alriutilizzo “in-house” per la pulizia di pavimenti e macchine. L’eventualeimplementazione della RO consentirebbe riutilizzo in imbottigliamento;

i consumi specifici di energia sono (ad oggi, col solo MBR) nell’intervallo2,0 – 3,6 kWh/m3 e mediamente pari a 3 kWh/m3 o 1 kWh per kg CODrimosso, valori del tutto in linea con quanto riscontrato nelle applicazioni diMBR nell’industria alimentare


docente francesco fatone anno accademico · carico organico di 10 kg cod per m3 di vino o 7 kg per...

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