Di: Kate
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Data: 4 dicembre 2024
1. Panoramica del processo MBR
MBR (bioreattore a membrana)è una tecnologia di trattamento biologico a membrana utilizzata nel trattamento dell'acqua. È un sistema che combina la tecnologia di separazione a membrana e la tecnologia di trattamento biologico delle acque reflue. Oggi è riconosciuta come una delle tecnologie di trattamento delle acque reflue e di recupero delle risorse più avanzate ed efficienti al mondo.
La tecnologia MBR utilizza la funzione di separazione delle membrane, sostituendo le vasche di sedimentazione secondaria, i filtri a sabbia, le unità di disinfezione e altri componenti dei tradizionali processi a fanghi attivi con dispositivi di separazione a membrana. Utilizza membrane di microfiltrazione/ultrafiltrazione (MF/UF) per filtrare direttamente l'effluente dal serbatoio di aerazione. I solidi sospesi nella miscela di fanghi attivi vengono completamente trattenuti e ricircolati nel reattore. Di conseguenza, l’età dei fanghi può essere prolungata, la concentrazione dei fanghi aumentata e il loro carico ridotto. Ciò accelera la degradazione microbica degli inquinanti, migliora significativamente l’efficienza del trattamento delle acque reflue e garantisce che la qualità degli effluenti non solo sia stabile e affidabile, ma soddisfi anche gli standard di alta qualità delle acque depurate. È particolarmente adatto per l'ammodernamento degli impianti di trattamento delle acque reflue in Cina per soddisfare i nuovi standard di scarico stabiliti nel 2011, nonché per il riutilizzo delle acque reflue industriali.
Microfiltrazione/Ultrafiltrazione (MF/UF)le membrane hanno dimensioni dei pori e intervalli di cut-off del peso molecolare. Generalmente, la dimensione dei pori delle membrane di ultrafiltrazione è compresa tra 0.01 e 0,1 μm, con un intervallo di cut-off del peso molecolare (MWCO) compreso tra 5,000 e 500,{{ 9}} Dalton. Il MWCO nominale delle membrane di microfiltrazione tipicamente utilizzate nel trattamento delle acque reflue varia da 30,000 a 800,000 Dalton.
2. Vantaggi delle membrane MBR
L'MBR offre vantaggi significativi che altri processi biologici autonomi non possono eguagliare:
1.Qualità dell'effluente eccellente e stabile
Ciò si manifesta nell'elevata efficienza della separazione solido-liquido. I solidi sospesi dell'effluente possono quasi sempre essere mantenuti prossimi allo zero e non sono facilmente influenzati da fattori quali la decomposizione o l'accumulo dei fanghi a breve termine.
2.Design compatto del reattore
Il reattore è più compatto perché può funzionare normalmente a concentrazioni elevate di fanghi, con conseguente elevata efficienza di rimozione organica e risparmio di spazio. Non è necessario un sistema di vasca di sedimentazione secondaria.
3.Favorevole per la coltivazione di batteri nitrificanti aerobici
Il sistema potenzia la capacità di nitrificazione della zona aerobica. Ciò si riflette nell’elevata efficienza di rimozione dell’azoto ammoniacale, che rimane stabile per un lungo periodo.
4.Separazione completa del tempo di ritenzione idraulica e del tempo di ritenzione dei fanghi
La completa separazione del tempo di ritenzione idraulica del reattore (HRT) e del tempo di ritenzione dei fanghi (SRT) consente un controllo operativo più flessibile.
5.Elevata concentrazione microbica e forte resistenza al carico d'urto
La concentrazione microbica nel reattore è elevata e ha una forte resistenza ai carichi d'urto. Con una lunga età dei fanghi, la separazione a membrana garantisce che le molecole grandi e difficili da degradare nelle acque reflue abbiano un tempo di ritenzione sufficiente all'interno del volume biologicamente limitato del reattore. Ciò migliora notevolmente l’efficienza di degradazione della materia organica recalcitrante. Il reattore funziona con carichi volumetrici elevati, bassi carichi di fanghi e una lunga durata dei fanghi, il che aiuta a ridurre efficacemente lo scarico dei fanghi.
3. Tendenze di sviluppo futuro delle membrane MBR
1.Il ruolo importante della tecnologia MBR nel trattamento delle acque reflue
Negli ultimi anni, l’esperienza ha dimostrato che la tecnologia MBR è matura e che è possibile ottenere una progettazione e un funzionamento di successo. Può essere utilizzato per il trattamento sia delle acque reflue urbane che delle acque reflue industriali. Pertanto, poiché la tecnologia MBR continua a svilupparsi e maturare, si prevede che venga ampiamente applicata a livello globale come tecnologia economicamente efficiente e pratica.
2.Prospettive per l'applicazione MBR
L’applicazione principale dell’MBR dovrebbe essere il trattamento delle acque reflue municipali, soprattutto perché le città necessitano di piccole aree di territorio per il trattamento delle acque reflue. Gli effluenti di alta qualità possono essere riutilizzati o fungere da pretrattamento per la nanofiltrazione e l’osmosi inversa e devono essere rispettati rigorosi standard di scarico.
La tecnologia MBR è efficace anche nel trattamento delle acque reflue industriali, come le acque reflue della lavorazione alimentare, le acque reflue dei macelli e il percolato delle discariche. Ha dimostrato un'eccellente efficienza di rimozione delle sostanze che alterano il sistema endocrino (EDS) nel percolato delle discariche e può rimuovere i nitrati nell'acqua potabile (con un tasso di rimozione fino al 98,5%).
3.Controllo dell'incrostazione della membrana
Sono necessarie ulteriori ricerche sui meccanismi di incrostazione delle membrane, in particolare lo studio delle incrostazioni biologiche. Membrana più efficace, controllabile e minimizzata dovrebbero essere sviluppate soluzioni anti-incrostazione. L’uso della tecnologia informatica e dei sensori per il controllo in linea delle incrostazioni delle membrane dovrebbe essere esplorato a fondo. Nel migliorare i metodi di pulizia, si dovrebbe prestare particolare attenzione all’uso di prodotti chimici sicuri.
4.Selezione della struttura e dei materiali della membrana in base al tipo di acque reflue
La struttura e i materiali della membrana devono essere selezionati correttamente in base al tipo di acque reflue. Dovrebbero essere adottati nuovi materiali per membrane e gruppi di moduli efficienti dal punto di vista energetico e ad alte prestazioni. Dovrebbe essere promossa l’integrazione dei sistemi MBR aerobici e anaerobici. Inoltre, i modelli matematici e la tecnologia informatica dovrebbero essere pienamente utilizzati per ottimizzare i parametri operativi e ottenere una migliore qualità degli effluenti, rendendo il processo più economico ed efficiente.
4. Principio di funzionamento delle membrane MBR
Nelle applicazioni pratiche di ingegneria, il processo MBR (bioreattore a membrana) immerso è più comunemente utilizzato e l’esperienza del settore con questo tipo di sistema è relativamente matura. Pertanto, utilizzeremo questo tipo di MBR come esempio per l'analisi. Il principio generale è il seguente:
L'acqua grezza entra nel bioreattore, dove la materia organica viene ossidata e decomposta dai fanghi attivi misti ad alta concentrazione. Sotto il modulo a membrana è presente un sistema di aerazione, che non solo fornisce sufficiente ossigeno disciolto (DO) per i microrganismi nel liquido miscelato, ma favorisce anche una miscelazione completa. L'agitazione causata dalle bolle, insieme al flusso di circolazione formato sulla superficie della membrana, ha un effetto di dilavamento e taglio sulla superficie della membrana, prevenendo di fatto la deposizione irreversibile di inquinanti sulla superficie della membrana in condizioni non artificiali. L'acqua trattata viene poi aspirata attraverso una pompa autoadescante e separata dalla membrana, mentre la fase liquida attraversa la membrana e viene scaricata dall'impianto.
Tipicamente, il processo MBR ha diversi parametri operativi chiave, tra cui il flusso di membrana, il coefficiente di permeabilità, il tasso di ritenzione e la polarizzazione della concentrazione.
1.Flusso di membrana
Il flusso di membrana (J) si riferisce alla quantità di materiale che passa attraverso un'unità di area della membrana per unità di tempo. Solitamente è espresso in unità SI come [m³/(m²·s)] o semplificato in m/s. Nei calcoli pratici di ingegneria, per misurare il flusso vengono spesso utilizzate unità non SI, come LMH (litri per metro quadrato all'ora), con unità di [L/(m²·h)]. Una tipica membrana MBR che soddisfa i requisiti generali di trattamento delle acque reflue ha un LMH di almeno 10 L/(m²·h).
I fattori che influenzano il flusso della membrana includono la forza motrice per il trasferimento di massa, la resistenza della membrana, le condizioni di flusso della soluzione di alimentazione sul lato della membrana (equivalente alla resistenza dello strato limite) e l'entità dell'incrostazione della membrana.
2.Coefficiente di permeabilità
Il coefficiente di permeabilità (Lp) di una membrana rappresenta la quantità di materiale che passa attraverso la membrana per unità di tempo e unità di area sotto una pressione unitaria. Viene semplicemente espresso come flusso di membrana in condizioni di pressione unitaria. Il coefficiente di permeabilità è uno dei parametri principali per valutare le prestazioni attuali della membrana.
3.Tasso di fidelizzazione
Nel processo di separazione a membrana, il liquido che passa attraverso la membrana è chiamato permeato, mentre il liquido trattenuto dalla membrana è chiamato retentato. Il tasso di ritenzione viene utilizzato per caratterizzare le prestazioni di separazione della membrana, compreso il tasso di ritenzione osservato/riportato (Robs) e il tasso di ritenzione effettivo/intrinseco (Ract). La sua definizione è la seguente:
Dove Cp e Cb rappresentano le concentrazioni di soluto rispettivamente nel permeato e nella soluzione di alimentazione, che possono essere misurate direttamente. Tuttavia, poiché i soluti vengono trattenuti e aderiscono alla superficie della membrana, la concentrazione del soluto (Cm) sulla superficie della membrana è superiore alla concentrazione media della soluzione di alimentazione. Pertanto, il tasso di fidelizzazione effettivo è:
Il valore di Cm generalmente non è direttamente misurabile e deve essere stimato utilizzando un modello computazionale.
4.Polarizzazione della concentrazione
Durante i processi effettivi guidati dalla pressione, il flusso della membrana spesso diminuisce nel tempo e cambia anche il tasso di ritenzione del soluto. La causa principale di questo fenomeno è la polarizzazione della concentrazione e l'imbrattamento della membrana.
La polarizzazione della concentrazione si riferisce al fenomeno in cui, in condizioni guidate dalla pressione, il solvente nella soluzione di alimentazione passa liberamente attraverso la membrana, mentre i soluti vengono trattenuti dalla membrana. Il flusso del solvente trasporta continuamente i soluti sulla superficie della membrana, provocando l'accumulo di soluti sulla membrana. Di conseguenza, la concentrazione del soluto (Cm) sulla superficie della membrana aumenta gradualmente, portando ad un gradiente di concentrazione che provoca la diffusione inversa dalla superficie della membrana alla soluzione di alimentazione. Dopo un periodo di stabilizzazione, quando il flusso della soluzione di alimentazione sulla superficie della membrana eguaglia la diffusione inversa, si forma uno strato limite di polarizzazione a concentrazione stabile. La condizione di completa ritenzione è espressa dalla seguente equazione:
Il rapporto Cm/Cb è chiamato rapporto di polarizzazione della concentrazione. Quanto più alto è il rapporto, tanto più sfavorevole è per la separazione tramite membrana.
Il flusso di membrana (J) è più facile da misurare, ma k è il rapporto tra il coefficiente di diffusione e lo spessore dello strato limite. Il valore di k è correlato alle condizioni di flusso sulla superficie della membrana e può essere calcolato utilizzando la correlazione del numero adimensionale del trasferimento di massa o determinato sperimentalmente. I metodi per determinare i valori k possono essere trovati nell'articolo di Zeman e Zydney (1996).
