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Il controllo del fouling

La presentazione si divide in quattro parti. Nella prima parte, corrispondente all'introduzione, si parlerà dell fouling di membrana e dei fattori di influenza del flouing: caratteristiche delle membrane, caratteristiche del refluo in ingresso, condizioni operative, condizioni idrodinamiche e le caratteristiche della biomassa. La seconda parte, si concentrerà sulle strategie di controllo del fouling focalizzandosi in particolare sull'ottimizzazione delle condizioni operative (età del fango o SRT) e sull'utilizzo dei flux-enhancers. La terza parta sarà dedicata allo studio di uno specifico flux-ehancer (policloruro di alluiminio, PAC) sul fouling di membrana e sulla qualità del permeato in un pilota MBR per il trattatamento di reflui misti tessili/domestici. L'ultima parte, infine, sarà dedicata alle considerazioni conclusive.

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Intervento al Corso di Aggiornamento BioMac 2013, Palermo 2013

Pubblicato
da Martina Gambini
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Estratto del testo
Università degli Studi di Salerno Università degli Studi di Napoli Federico II Università degli Studi di Palermo IL CONTROLLO DEL FOULING BioMAc 2013 Bioreattori a Membrane (MBR) per la depurazione delle Acque IL CONTROLLO DEL FOULING Francesca Malpei (Politecnico di Milano) A.Teli, M. Antonelli, L.Bonomo Palermo, 4-5 Luglio 2013  Introduzione  Fouling di membrana
 Fattori di influenza del fouling Sommario  Strategie di controllo del fouling  Controllo mediante ottimizzazione delle condizioni operative
 Controllo con dosaggio di flux-enhancers  Caso studio: impiego di flux enhancers  Controllo del fouling e miglioramento della qualità del permeato mediante  Controllo del fouling e miglioramento della qualità del permeato mediante dosaggio di policloruro di alluminio in un pilota MBR per reflui tessili  Considerazioni conclusive BioMAc 2013 Fouling di membrana micro- ultrafiltration large suspended Introduzione solutes colloids ultrafiltration membrane large suspended
solids (sludge flocs) solutes BioMAc 2013 Fouling di membrana Introduzione permeato BioMAc 2013 Fouling di membrana Introduzione Pore narrowing Cake layer Fouling reversible (rimovibile con lavaggio fisico) Pore narrowing Adsorbimento Gel layer & Gel layer Adsorbimento SMP Fouling irreversibile (rimovibile con lavaggi chimici) BioMAc 2013 Equazione di Darcy TMP J  flusso (m s-1; LMH) Resistenze alla filtrazione Introduzione R TMP J T '' µ = Modello ''Resistenze in serie' J  flusso (m s ; LMH TMP  pressione transmembrana (Pa, bar) µ T  viscosità del permeato (Pa s) R  resistenza totale alla filtrazione (m-1) R = R m + Rc + Rf R m  resistenza della membrana; R c  resistenza del cake layer; R f  resistenza dovuta a pore narrowing/gel layer. R = R m + Rc + Rf Fattori di influenza del fouling di membrana Introduzione  caratteristiche delle membrane  caratteristiche del refluo in ingresso  caratteristiche del refluo in ingress  condizioni operative  condizioni idrodinamiche  caratteristiche della biomassa BioMAc 2013 Fattori di influenza del fouling di membrana Introduzione  caratteristiche delle membrane  caratteristiche del refluo in ingresso ruolo importante
all''inizio della filtrazione influenza diretta e indiretta  caratteristiche del refluo in ingresso  condizioni operative  condizioni idrodinamiche  caratteristiche della biomassa influenza di tipo diretto
sul fouling influenza diretta e indirett
sul fouling BioMAc 2013 Fattori di influenza sul fouling Introduzione  caratteristiche delle membrane  caratteristiche del refluo in ingresso ruolo importante
all''inizio della filtrazione influenza diretta o indiretta  caratteristiche del refluo in ingresso  condizioni operative  condizioni idrodinamiche  caratteristiche della biomassa influenza diretta o indirett
sul fouling, influenza di tipo diretto
sul fouling - Polimeri extracellulari di origine batterica BioMAc 2013 - Polimeri extracellulari di origine batterica (extracellular polimeric substances, EPS, soluble microbial products, SMP) - Concentrazione di biomassa, SSV/SST
- Dimensione dei fiocchi
- Viscosità ed idrofobicità del fango
Polimeri extracellulari di origine batterica: EPS ed SMP Composti prodotti ed escreti dai
batteri: proteine, polisaccaridi, acidi
umici, ... : Fiocchi fango Introduzione umici, ... ' EPS (prevalentemente contenuti nel
fiocco) matrici organiche che aggregano i fiocchi ' SMP o EPS solubili prodotti associati al metabolismo Soluti Colloidi del substrato o all''idrolisi degli EPSi BioMAc 2013 SMP  correlati a fenomeni di incremento Rf, EPS  influenza sulle caratteristiche di filtrabilità del fango attivo, a cui è poi correlata la resistenza R c Se concentrazione EPS nell''intervallo 20 '' 80 mg/gMLSSV: contributo e
relazione con il fouling (LeClech, 2006) Strategie di controllo del fouling  controllo e ottimizzazione delle condizioni idrodinamiche e dell''effetto di scouring: Principali strategie di controllo del fouling dell''effetto di scouring: flusso, velocità di cross-flow, portata di aria (o SAD, specific air demand) e dimensione bolle [immerse], air lift [tubolari]  controllo e ottimizzazione delle condizioni operative: T °, OD, SRT, MLSST, relaxation, backwashing e relativa frequenza  dosaggio di condizionanti (flux-enhancers) nella miscela aerata, BioMAc 2013  dosaggio di condizionanti (flux-enhancers) nella miscela aerata, per ridurre il potenziale sporcante e potenziare l''effetto di scouring. Strategie di controllo del fouling Principali strategie di controllo del fouling  controllo e ottimizzazione delle condizioni idrodinamiche  controllo e ottimizzazione delle condizioni operative Strategia piuttosto complessa: entrano in gioco diversi fattori quali
l''intensità di aerazione, la dimensione delle bolle d''aria, la concentrazione e
la viscosità della miscela aerata, nonché la configurazione dei moduli di  controllo e ottimizzazione delle condizioni operative  il dosaggio di condizionanti (flux-enhancers) direttamente nella miscela aerata, per ridurne il potenziale sporcante. BioMAc 2013 la viscosità della miscela aerata, nonché la configurazione dei moduli d
filtrazione. L''efficacia della turbolenza generata è inoltre più rilevante per i
materiali in sospensione, piuttosto che per i colloidi e le macromolecole
solubili, come gli SMP, Strategie di controllo del fouling Ottimizzazione delle condizioni operative: età del fango (o SRT) Influenza il fouling in quanto influenza le principali caratteristiche della
biomassa. Dati non sempre concordanti biomassa. Dati non sempre concordant BioMAc 2013 Meng et al., (2009) Utilizzo dei flux-enhancers ' I flux-enhancers sono prodotti (flocculanti o adsorbenti) dosati negli MBR per limitare e controllare il fouling di membrana; Strategie di controllo del fouling ' Tipologie 1. sali metallici (e.g., cloruro ferrico, policloruro di alluminio) MBR per limitare e controllare il fouling di membrana; ' Tali prodotti possono anche migliorare la qualità del permeato per via di fenomeni di coagulazione ed adsorbimento degli inquinanti. 1. sali metallici (e.g., cloruro ferrico, policloruro di alluminio) 2. polimeri organici cationici 3. carbone attivo in polvere BioMAc 2013 Meccanismo di azione dei flux enhancers  flocculanti cationici (sali metallici, polimeri organici) Strategie di controllo del fouling neutralization and coagulation bridge particle coagulazione ( SMP) + flocculazione ( filtrabilità del cake) bridge formation particle aggregation BioMAc 2013 Meccanismo di azione dei flux enhancers  carbone attivo in polvere Strategie di controllo del fouling adsorbimento ( SMP) + inclusione particelle ( filtrabilità del cake e scouring ) BioMAc 2013 Obiettivo Studio degli effetti del dosaggio di uno specifico flux-enhancer (policloruro di alluminio, PAC) sul fouling di membrana e sulla Caso studio (policloruro di alluminio, PAC) sul fouling di membrana e sull qualità del permeato in un pilota MBR per il trattamento di reflui misti tessili/domestici (tessile: 65% della portata, 70% del carico di COD). BioMAc 2013 Pre-trattamenti Alto Seveso Fino Mornasco (CO) Caso studio '' Impianto pilota MBR COD (acetato di sodio) 35 g COD d-1 Caratteristiche medie del refluo Griglia grossolana griglia fine (1x5 mm) dissabbiatura pilota MBR tela metallica
fine (0.49 mm) COD 259 ± 91,2 TSS 73 ± 22,9 TKN 40 ± 13 35 g COD d in pre-denitrificazione 44 ±10% del COD complessivo Dati mg L-1 ad eccezione del
colore (ass. at 426 nm, cm-1) N-NH 4 + 27 ± 9 P tot 3 ± 1,5 colore (ass. at 426 nm) 0,225 ± 0,096 tensioattivi anionici 3 ± 2 tensioattivi non ionici 6 ± 3,7 BioMAc 2013 Pre-denitrificazione Comparto membrane 2 moduli di
filtrazione a
fibre cave
SIEMENS Water
Technologies
Caso studio '' Impianto pilota MBR Nitrificazione membran Technologies
MemJet®
(0.5 m2 -
0.04
µm) 40 L 37 L BioMAc 2013 60 L 37 2 moduli di
filtrazione a
fibre cave
SIEMENS Water
Technologies
Caso studio '' Impianto pilota MBR Technologies
MemJet®
(PVDF, 0.5 m2 -
0.04
µm) BioMAc 2013 Pre-denitrification Membrane two lab-scale
SIEMENS Water
Technologies
MemJet®
hollow fiber
Parametri di progetto Qin 213 L/d Qricircolo nitrati/Qin 3 - Volume aerobico 60 L Volume anossico 40 L Caso studio '' Impianto pilota MBR Nitrification Membrane tank hollow fiber
modules
(0.5 m2 each -
0.04
µm) Volume anossico 40 P1 P2 P3 Parametri F/M (gCOD gTSS -1 d-1) 0,10±0,02 0,09±0,02 0,19±0,04 SRT (d) 25±1 32.5±2.5 MLSST (g L -1) 6; 4,5; 7.9 5,6; 3,9; 7,5 4,6; 3,3; 6 HRT (h) 14.5 12 Parametri operativi HRT (h) 14.5 1 OD (mg L -1) 2.4±2.32 1.3±1.09 n.d. T (°C) 21.5±4.15 13.1±2.11 23.6±2 Flusso (J '' LMH) 10 12.5 Filtraz.:Relaxation (min : min) 8 : 1 Scouring (SADm - Nm 3 h-1m-2 ) 0.4 BioMAc 2013 P1 (7.5 mesi) controllo (no PAC) 3 periodi sperimentali Caso studio '' Attività sperimentale controllo (no PAC) (10 LMH) P2 (3 mesi) PAC (10 LMH) P3 (3 mesi) PAC (12.5 LMH) BioMAc 2013 P1 (7.5 mesi) controllo (no PAC) 3 periodi sperimentali Caso studio '' Attività sperimentale controllo (no PAC) (10 LMH) P2 (3 mesi) PAC (10 LMH) Scelta del miglior prodotto Determinazione della dose ottimale di PAC con Approccio multiparametrico P3 (3 mesi) PAC (12.5 LMH) BioMAc 2013 Indici di fouling e di qualità dell''effluente: Caso studio '' Approccio multiparametrico BioMAc 2013 Indici di fouling e di qualità dell''effluente: ' SMP (proteine e carboidrati), Caso studio '' Determinazione della dose ottimale Method by Lowry et al. (1951) Method by - proteine - carboidrati Dubois et al. (1956) BioMAc 2013 Indici di fouling e di qualità dell''effluente: ' SMP (proteine e carboidrati), Filtrabilità del fango (Resistenza specifica alla filtrazione Caso studio '' Determinazione della dose ottimale SRF; indice di fouling modificato, MFI) Paper filter (8 µm) Filtration step for SRF determination Sludge cake mixed liquor Christensen et al. (1993) Mixed acetate-cellulose filter (0.45 µm) Filtration step for MFI determination little particles, colloids filtrate Schippers and Verdouw (1980) BioMAc 2013 Indici di fouling e di qualità dell''effluente: ' SMP (proteine e carboidrati), Filtrabilità del fango (specific resistance to filtration, SRF; Caso studio '' Determinazione della dose ottimale modified fouling index, MFI), Flocculabilità del fango (low density suspended solids, LDSS); Solidi sospesi totali (TSS) del surnatante separato mediante centrifugazione (2.700 g, 10 min) BioMAc 2013 Indici di fouling e di qualità dell''effluente: ' SMP (proteine e carboidrati), Filtrabilità del fango (specific resistance to filtration, SRF; Caso studio '' Determinazione della dose ottimale modified fouling index, MFI), Flocculabilità del fango (low density suspended solids, LDSS); ' COD solubile, colore (abs. at 426 nm, cm-1). colore (abs. at 426 nm, cm ) Test in duplicato BioMAc 2013 Caso studio '' Scelta del prodotto Carbone attivo in polvere Norit CA1 Policloruro alluminio Tillmanns TillPAC 8 Decolorante ''
Poliammina cationica Dalton Flodal dose (mg g -1) MFI Poliammina cationica CA1 TILLPAC18 FLODAL -100% -80% -60% -40% -20% 0% 20% 40% 60% 0 20 40 60 80 100 dose (mg g -1) MFI Parametro CA1 TILLPAC18 FLODAL BioMAc 2013 CA1 TILLPAC18 FLODAL Parametro CA1 TILLPAC18 FLODAL CST/SRF ٠ ٠٠٠ ٠٠ MFI ٠ ٠٠٠ ٠٠ LDSS ٠ ٠٠٠ ٠٠ Proteine ٠٠ ٠٠٠ ٠ Carboidrati ٠ ٠٠ ٠٠٠ TOC ٠٠ ٠٠٠ ٠ COD ٠٠ ٠٠٠ ٠ colore ٠ ٠٠٠ ٠٠ / ٠٠٠ Risultati: Dosaggi per cui non vi è alcuna variazione del pH Caso studio '' Determinazione dose ottimale PAC BioMAc 2013 Risultati: Dosaggi per cui non vi è alcuna variazione del pH Caso studio '' Determinazione della dose ottimale  12.5 mgPAC gMLSS-1 Corrispondente a:  1.9 mgPAC L-1 refluo trattato BioMAc 2013 P-1 P-2 P-3 0.2 0.25 TMP 20 Caso studio '' Controllo del fouling 0.05 0.1 0.15 T M P 2 0 ( b a r) 0 0 100 200 300 400 500 time (d) CL : physical + chemical cleaning CL CL CL CL CL BioMAc 2013 P-1 P-2 P-3 0.2 0.25 TMP jump TMP 20 Caso studio '' Controllo del fouling 0.05 0.1 0.15 T M P 2 0 ( b a r) Andamento irregolare della TMP 0 0 100 200 300 400 500 time (d) CL : lavaggio fisico + chimico CL CL CL CL CL BioMAc 2013 P-1 P-2 P-3 0.2 0.25 TMP & filtrazione + stabile TMP 20 PAC: Caso studio '' Controllo del fouling 0.05 0.1 0.15 T M P 2 0 ( b a r) 0 0 100 200 300 400 500 time (d) CL CL CL CL CL BioMAc 2013 CL : lavaggio fisico + chimico 8,E+12 Rm Rf Rc P-1 ' Andamento delle resistenze alla filtrazione ( Caso studio '' Controllo del fouling 2,E+12 4,E+12 6,E+12 R ( m -1 ) P-1 P-2 P-3 Ipotesi: Dinamica lineare per R f 0,E+00 2,E+12 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 450 480 time (d) BioMAc 2013 ' Resistenze alla filtrazione ' Definizione di parametri normalizzati R Resistenza media normalizzata del cake layer Caso studio '' Controllo del fouling ' Effetti del PAC TF = R f-finale '' Rf-inziale durata fase J R R c n c = J TF TF n = Tasso medio normalizzato di fouling irreversibile ' Effetti del PAC BioMAc 2013 Biopolimeri: SMP ed EPS estratti (metodo termico) 50 60 SMPp Caso studio '' Controllo del fouling 0 10 20 30 40 50 P-1 P-2 P-3 m g / L 20 SMPc 0 5 10 15 P-1 P-2 P-3 m g / L BioMAc 2013 Biopolimeri: SMP ed EPS estratti (metodo termico) 50 60 SMPp SMP Caso studio '' Controllo del fouling 0 10 20 30 40 50 P-1 P-2 P-3 m g / L 20 SMPc  Si considera solo P1 e P2 in quanto in P3 è stato necessario effettuare un nuovo inoculo  Considerando i valori medi degli SMP SMP 0 5 10 15 P-1 P-2 P-3 m g / L non si osserva alcun effetto del PAC sebbene dai jar test ci si sarebbe aspettata una significativa rimozione BioMAc 2013 Biopolimeri: SMP ed EPS estratti (metodo termico) 50 60 50 60 SMPp EPSp Caso studio '' Controllo del fouling 20 0 10 20 30 40 50 P-1 P-2 P-3 m g / L 20 0 10 20 30 40 50 P-1 P-2 P-3 m g / g S S V SMPc EPSc 0 5 10 15 P-1 P-2 P-3 m g / g S S V 0 5 10 15 P-1 P-2 P-3 m g / L BioMAc 2013 Biopolimeri: SMP ed EPS estratti (metodo termico) 50 60 EPSp EPS Caso studio '' Controllo del fouling 20 0 10 20 30 40 50 P-1 P-2 P-3 m g / g S S V EPSc  Si considera solo P1 e P2 in quanto in P3 è stato necessario effettuare un nuovo inoculo  Considerando i valori medi degli EPS si osserva un effetto di EPS 0 5 10 15 P-1 P-2 P-3 m g / g S S V EPS si osserva un effetto di diminuzione di proteine e carboidrati  PAC ' BioMAc 2013 Stima degli effetti del PAC: confronto P-1 e P-2 Parametro Rendimento di rimozione P-1 P-2 '' COD 81.3 85.8 +5% Caso studio '' Qualità del permeato Macro-inquinanti convenzionali COD 81.3 ±8.3% 85.8 ±8.2% +5 N tot 81.2 ±9.8% 80 ±6.2% -1% P tot 23.6 ±38.5% 87.8 ±140% +64% Macro-inquinanti colore (ass. 426 nm) 67.8 ±13.8% 84.3 ±6.2% +16% 94.2 93.3  Incremento significativo dei rendimenti di rimozione Macro-inquinanti tessili Tensioattivi non ionici 94.2 ±5.1% 93.3 ±3.2% -1% Tensioattivi anionici 79.2 ±13.4% 85.8 ±13.1% +7% BioMAc 2013 Caso studio '' Qualità del permeato P2 '' Confronto con effluente impianto a piena scala (biologico + chiariflocculazione + ozono) 70 20 30 40 50 60 7 MBR
Permeato Alto Seveso
Effluente biologico
(campione filtrato) Alto Seveso BioMAc 2013 0 10 20 COD (mg/L) Ntot (mg/L) Ptot x 10 (mg/L) ass. at 426 nm x 1,000 (1/cm) Alto Seves
Effluente trattamenti
avanzati Effetto del PAC 1. Controllo del fouling - filtrazione più stabile con minori TMP Conclusioni - filtrazione più stabile con minori TM - riduzione fouling reversibile (R c n): -65% - riduzione fouling irreversibile (TF n): -45% 2. Incremento dei rendimenti di rimozione - P tot (+64%), colore (+16%), tensioattivi anionici (+7%) ' Tecnologia MBR + PAC opzione di trattamento efficace per reflui tessili costo ( '' 2 mgPAC/L) '' 0,2 Eurocent/m 3 BioMAc 2013 The no-fouling membrane bioreactor is like a The no-fouling membrane bioreactor is like a star for sailors. It is unreachable, but stays necessary as a guide. (Remy, 2012, Ph.D thesis) BioMAc 2013 (Remy, 2012, Ph.D thesis Francesca Francesca Malpei Malpe DICA, Sezione Ambientale, Politecnico di Milano francesca.malpei@polimi.it francesca.malpei@polimi.i BioMAc 2013


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