“Processi a membrana: tecnologie innovative nel ...

1 Processi a membrana: tecnologie innovative nel trattamento e riciclo delle acque reflue Dipartimento di Chimica e Chimica industriale Universit degli Studi di CAPANNELLIU niversit di acqua, pur essendo una risorsa rinnovabile, oggi una risorsa limitata. Il bilancio idrico negativo:- il consumo pi veloce della fase di recupero - la quantit di acqua inquinata tende a prevalere su quella primaria NON basta la semplice riduzione dei consumi Universit di irriguiAmbienteDepurazione o Potabilizzazione Usi civiliUsi industrialiUsi industrialiDepurazioneDepurazioneUsi irriguiAmbienteDepurazione o Potabilizzazione Usi civiliUsi industrialiUsi industrialiDepurazioneDepurazioneCiclo attuale di utilizzo dell acquaUtilizzo di acque prelevate direttamente dall ambienteUniversit di Il riciclo delle acque l unica soluzione percorribile per soddisfare le esigenze. Le attuali tecnologie permettono un recupero pressoch totale. Il riutilizzo pu essere completo, la legislazione italiana prevede il riuso solo per scopi agricoli ed civiliAmbienteUsi irrigui & IndustrialiUsi industrialiDepurazione o Potabilizzazione DepurazioneNecessit di tecnologie di tecnologie di depurazione depurazione innovative innovative per riciclare ed aumentare il tempo di permanenza dell acqua nell ambienteProspettive: utilizzo programmato delle acqueprimarie e riutilizzo delle acque reflueUniversit di MEMBRANE Sono una barrieraassoluta verso sostanze indesiderate Attuano separazioni a livello molecolare Consentono di depurare e riciclare acque inquinate Permettono di ottenere acqua con la qualit desiderata da destinare al consumo umano partendo da qualsiasi acqua grezzaI processi a membrana: 1) sono divenuti una chiave di volta nello sviluppo ) permettono di ottenere acque con le specifiche desiderate indipendentemente dalla qualit dell acqua di a membrana.

2 tecnologie innovative checonsentono il rcupero delle acque inquinate. Membrana Una membrana pu essere definita come una barrierafisica che consente il passaggio di una o pi specie e impedisce o rallenta quello di di processi a membranaUniversit di Microfiltrazione (MF)Separazione di colloidi, microorganismi, solidi sospesiRichiede pressioni molto basse (<2 bar) Ultrafiltrazione (UF)Separazione di macromolecole con diversa massa molecolareRichiede basse pressioni (<10 bar) Nanofiltrazione (NF)Separazione di zuccheri, sali e purificazione di soluzioniRichiede pressioni inferiori alla OI (<20 bar) Osmosi Inversa (RO)Concentrazione di sali Richiede elevate pressioni (fino a 100 bar)soluzioniMacromolecoleGlobuli lipidiciIoni, zuccheriProteineSospensioni10-21102nm104 UFMFNFROP rocessi a membrana dove la forza motrice data dalla differenza di pressioneMeccanismo di separazione Membrana poroseagiscono come un setaccio consentendo solo il passaggio delle particelle con dimensione inferiore a quella dei pori Sono applicate ad esempio nella MF, UF, dense(non porose) separano le specie in base alla loro differente solubilit e diffusione attraverso lo strato denso della membrana.

3 Sono applicate ad esempio nella OI e di del materiale e delle configurazioni Tubolare Spirale AvvoltaArea filtrante/Volume 101-102 (m2/m3)Area filtrante/Volume 102-103 (m2/m3) Fibra cavaArea filtrante/Volume 103-105(m2/m3)Area filtrante/Volume 102-103 (m2/m3)Universit di m30 m PianaRapporto area superficiale/volume moduli Osmosi inversa - Nanofiltrazione Demineralizzazione Trattamenti di effluenti industriali (tessile, fermentazioni, farmaceutica, etc.) Industria farmaceutica Settore enologico Sieri industria casearia Altri settori dell industria agro-alimentare Trattamento di soluzioni zuccherine Concentrazione di soluzioni organiche Addolcimento di acqua da pozzo, di superficie e di mare Rimozione selettiva di metalli da acqua da pozzo e di superficie Rimozione sostanze organiche solubili Rimozione di specie radioattive da acqua di pozzo e di superficie Percolati di discaricheApplicazioni principaliTrattamento delle acqueProcessibiochimiciIndustria alimentareIndustria chimica, farmaceuticaUniversit di Microfiltrazione/Ultrafiltrazione Brodi di fermentazione Chiarificazione dei liquidi alimentari Industria elettronica Settore enologico Industria farmaceutica Industria agroalimentare Industria meccanica Industria chimica Trattamenti di chiarificazione Bioreattori a membranaUso attuale dell acqua nel mondoAd oggi circa 1.

4 5 miliardi di persone non hanno accesso all acqua potabileUniversit di civileUso agricoloUso industriale30%59%11% NEL MONDO PAESI INDUSTRIALIZZATI PAESI IN VIA DI SVILUPPOIl riutilizzo delle acque attraverso tecnologie innovative a bassi costi una esigenza mondiale per la gestione e salvaguardia della qualit della vitaUniversit di tecnologie a membrana sono divenute fondamentali nel trattamento e riciclo delle acqueSalvaguardare l acqua dall ambiente, depurarla e recuperarlada fonti non convenzionali (falde salmastre, acque inquinate, acqua di mare, reflue, ecc.) un obiettivo fondamentale per la consevazione e valorizzazione degli equilibri ambientaliOsservazioni generaliProcessi a membrana in alternativa ai processi tradizionali di potabilizzazione e trattamento delle acque di scarico Universit di terziariAcque reflueGrigliaturaSedimentazione primariaTrattamento biologicoSedimentazione secondariaBioreattore a membranaScarico o riutilizzoTrattamento acque potabiliTrattamento acque reflueAcqua GrezzaCoagulazionee FlottazioneChiarificazioneFiltrazioneClo razioneMicrofiltrazioneAcqua potabileAcqua GrezzaCoagulazionee FlottazioneChiarificazioneFiltrazioneClo razioneMicrofiltrazioneAcqua potabileMinor consumo di cloroScaricoAcqua grezzaProcesso a membrana MF, UF, NF, OI MF/UF + NF/OI NF +OIAcquaall utenzaTrattamento riciclo.

5 Evaporazione chimico-fisico Finiturastabilizzazione igienica lungo la lineaPretrattamento filtrazione controllo temperatura controllo pH aggiunta di additivi MF/UFUso dei processi integrati a membrana nel trattamento delle acqueSchema generale: pretrattamento (filtrazione con filtri o con membrana, controllo pH, ecc.) processo a membrana per le separazioni desiderate stabilizzazione dell acqua sino alla fase di utilizzo finale trattamento del concentratoUniversit di particolari in zone con scarsit d acqua Recupero di acqua da scarichi civili: Per uso civile (acque di servizio, irrigazione, ecc.) Per il consumo umano (dopo diluizione o direttamente)Scarico Acqua refluaAcqua all utenza o alla miscelazioneTrattamento(Chimico fisico)Stabilizzazione igienicaTrattamento a fanghi attiviChiarificazione o MF/UFN F / O IUniversit di di impianto di UF per il riciclo di acqua da unimpianto a fanghi attivi tradizionaleUniversit di da riciclare**SF: Filtro sabbia; CF: Filtro a cartuccia 70 m m m /gUniversit di delle acque reflue di una lavanderiaindustriale: ESEMPIO 1 Processo studiato e sviluppato presso il Dipartimento di Chimica e Chimica industriale dell Universit di GenovaProcesso tradizionaleProcesso InnovativoUniversit di in fase di applicazione per conto del Consorzio Ligure dei Prodotti Tipici Fiori e Frutta di Imperia attivit di ricerca svolta dal Dipartimento di Chimica e Chimica industriale nell ambito del contratto di programma Fiorifrutti.

6 Acque di vegetazioneMicrofiltrazioneOsmosi inversa Acque per l irrigazione Riuso nel lavaggio delle oliveRecupero concentrato da valorizzareTrattamento e riciclo delle acque di vegetazione: ESEMPIO 2 Processi innovativi nel trattamento delle acque reflueMBR = Membrane Biological ReactorUn MBR combina un processo di tipo biologico con un processo di separazione a membrana (generalmente di MF o UF)In pratica la membrana sostituisce la sedimentazione secondaria ed ottimizza il processo di depurazione fanghiPermeatoAcqua refluaAriaScarico fanghiPermeatoAcqua refluaAriaScarico fanghiPermeatoAcqua refluaRiciclo ritentatoBioreattore a membrane immerseBioreattore a membrana a circolazione esternaUniversit di di moduli ad alto rapporto Sup/Volume e a costi sempre decrescenti Universit di dei costi in funzione del cumulativa delle membrane in m2costo - $/kL/giorno installati 198919961992199519901998 ZenonMemcor-SimensKMSU niversit di trattare1000 m3/giornoPermeatoAriaScaricoControlavagg io con ilpermeatoa < 2 barAlimentiConcentratoFormazione depositoRimozionedello stratodepositatoFiltrazionecon TMP ~ e.

7 ControlavaggioPermeabilt [l/(m2 h bar)]TEMPOL imite TMPflusso minimobackwashingIntervallodi filtrazioneRecupero flussoCon backwashingLavaggio chimico con frequenze da 3 a 6 mesidipende caratteristiche acqua iniziale TMP procedure di backwashingaDiminuzione del flussosenza backwashinglavaggio chimicocon backflushingfouling reversibileLinea del flusso accettabileModalit di lavoro per controllare la stabilit del flusso nel tempo (Fouling)Depurazionedi reflui domestici mediante MBRA cque refluePretrattamentoSedimentatore primarioFanghi attiviDigestore fanghiEssiccamento fanghi / smaltimentoSedimentatore secondarioFiltro a sabbiaDisinfezioneEffluente finaleScaricoAcqua refluaPretrattamentoSedimentatoreprimari oFanghi attiviFiltrazione a membranaEffluente finaleEssiccamento fanghi / smaltimentoFanghi attiviUso AgricoloNanofiltrazioneOsmosi inversaUso industrialeScarico (aree sensibili)TRADIZIONALEMBRU niversit di di MBR Universit di successo dei processi a membrana basato sul controllo del fouling (es.)

8 MBR)La frazione colloidale e sospesa responsabile del fouling. Stretta correlazione tra i parametri operativi e il fouling della membrana-Scelta della membrana (materiale e geometria) pi adatta -Determinazione del flusso critico -Scelta delle appropriate condizioni operative-Ottimizzazione della flusso e dei lavaggiCondizioni operative tipiche di MBR a membrana immersa Parametro Valore Flusso - Istantaneo, L/(m2h) 25-35 - Sostenibile sul lungo termine, L/(m2h) 15-30 Pressione transmembrana, kPa 20 Concentrazione di biomassa, gMLSS/L 5-25 Tempo di ritenzione solidi (STR), giorni >20 Produzione fanghi, kgSS/(kgCOD giorno) < Tempo di ritenzione idraulico (HTR), ore 1-9 Rapporto alimento/microrganismi, kgCOD/(kgMLSS giorno) < Carico volumetrico, (kgCOD/m3 giorno) Fino a 20 Portata di aria, Nm3/h per modulo 8-12 Temperatura, C 10-35 pH Frequenza del controlavaggio, min 5-16 Durata del controlavaggio, s 15-30 Consumo di energia per la filtrazione, kWh/m3 - Per aerazione della membrana, % 80-90 - Per il pompaggio del permeato, % 10-20 La concentrazione di biomassa consigliata 12-15 g/LUniversit di operative degli impianti di trattamento MBRMBRT.

9 Melin, Desalination 187 (2006) 271 VANTAGGI Alta efficienza (rimozione BOD 96-98%) elevata nitrificazione ed eliminazione dell N2 totale con lo stadio di denitro. Assenza di SS e della carica batterica Utilizzo diretto del chiarificato o facilmente riqualificabile ad ogni tipo di utilizzo Alta flessibilit rispetto il carico, Riduzione dimensioni e costi di installazione Costi fortemente contenuti se si confrontano non solo i mc/h trattati ma si valuti anche il raggiungendo una acqua con le stesse qualit finaliTrattamento di acqua reflua industriale mediante MBR prove presso l Universit di Genova (ESEMPIO 3)Acque reflue industriali contaminate con olio sono state trattate con successo usando un MBR. L efficienza di rimozione del 98%. MBR in scala di laboratorioMembrane a fibra cavaRimozione Idrocarburi Universit di acque reflue civili mediante MBR Impianto pilota in collaborazione con IRIDE SpApresso l impianto di Genova Voltri (ESEMPIO 4)Universit di utilizzate: fibra cava prodotte dalla KMS Coreana40 m2 Superficie filtrante 0,4 mDiametro pori nominale400 mSpessoreSimmetricaTipo porosit Polietilene HDMaterialeUniversit di pilota MBR di ,080,04-0,4 Zinco (mg/l)0,030-0,4 Bario (mg/l)Ass.

10 Escherichiacoli0,020-0,06 Stagno (mg/l) (mg/l) (mg/l)0,010-0,05 Rame (mg/l)0, (mg/l) (mg/l)< 30003000 Conducibilit ( S/cm) Org. ,03 Nichel (mg/l)040 Azoto Amm. (mg/l) cloruri (mg/l)15-4040 Azoto Totale (mg/l) ,05 Floruri(mg/l) ,01-0,3 Manganese (mg/l)27 Fosforo Tot. (mg/l)6026-130 Cloruri (mg/l) ,05-0,15 Ferro (mg/l)20-30400 COD (mg/l)5034-97 Solfati (mg/l) VI (mg/l)10-15300 BOD5 (mg/l) ,5-3,75 Solfiti (mg/l) Tot (mg/l)3-4,5440S. Sospesi T.(mg/l) (mg/l) (mg/l)6,5-7,56,5-7, ,04-0,05 Cianuro tot.(mg/l)0,150,14-0,4 Boro (mg/l)RisultatiValori in ingressoValori in uscitaUniversit di i valori in uscita sono inferiori ai Limiti di legge per il riuso giugno 2003, pilota MBR di Genova-VoltriIngresso medio: COD: circa 400 mg/lBOD: circa 300 mg/lRisultati: COD - BODLa rimozione di microorganismie dei TSS totaleUniversit di pilota MBR di Genova-VoltriRisultati Azoto ammoniacale ingresso: circa 40 mg/lMLSS - IMHOFFC iclo AzotoImpianto pilota MBR di Genova-VoltriUniversit di MBRQ ualit Effluente trattato disinfettato Eliminazione totale dei solidi sospesi Velocit elevata di rimozione di COD e NFanghi Bassa produzione fanghi (20-50% in meno rispetto ai fanghi attivi convenzionali) Acque reflue industriali: kgSS/kg COD rimosso Acque reflue civili.