GOST Srl si รจ trasferita nella nuova sede di Foligno in Via Feliciano Ricci, 17

Membrane MBR



GOST
ha  studiato e sviluppato sistemi innovativi d´avanguardia che impiegano le membrane MBR a fibra cava per filtrazione finale, sia negli impianti biologici che in quelli chimico - fisici.

I sistemi MBR sono prodotti direttamente da GOST con know - how proprio e sono progettati e realizzati in modo che ogni fascio di membrana sia intercambiabile e sezionabile.

I moduli a membrana MBR
 sono assemblati in Italia nella nostra nostra azienda. Ogni fascio di fibre cave che compone un modulo MBR è intercambiabile e facilmente lavabile. 

 I processi a membrana realizzano, mediante l´applicazione di una forza motrice, una separazione tra due fluidi, tramite una barriera selettiva (la membrana stessa), che viene attraversata solamente da alcune sostanze presenti nei fluidi mentre è poco, o per nulla, permeabile alle altre.


Principio di funzionamento delle diverse tipologie di processi di separazione a membrana: la soluzione da trattare attraversa la membrana (che funge da filtro) che lascia passare il permeato (o diluito) ma trattiene il retentato (o concentrato).


Cenni storici.
Le prime applicazioni
dei processi a membrana risalgono alla seconda metà degli anni ´50 e sono state rivolte ai processi di dissalazione di acque marine o salmastre, mediante l´utilizzo di membrane per osmosi inversa.

Successivamente
, negli anni ´60 e ´70 si è sviluppato il settore dell´ultrafiltrazione.

Ulteriore sviluppo nel campo delle membrane hanno portato alla produzione membrane per nanofiltrazione, collocabili tra quelle per ultrafiltrazione e quelle per osmosi inversa.

I più recenti sviluppi si caratterizzano si per l´utilizzazione di nuovi materiali (membrane ceramiche resitenti a temperature maggiore di 100° C) per le classi di membrane esistenti che per l´affinemento degli schemi di processo.

Classificazione delle membrane

Le membrane sono classificabili sulla base:
  delle dimensioni nominali dei pori,
  della
struttura geometrica
  del materiale costitutivo ( naturali o sintetiche, inorganiche e composite)

Le membrane possono operare attraverso  processi di filtrazione:
 • di adsorbimento,
  diffusione,
  
scambio ionico
  osmosi

L´ambito di impiego delle membrane le classifica in membrane per la separazione di tipo :
 • solido- liquido,
 • 
liquido- liquido
 •
 
gas- gas
 •
 
liquido- gas

Un altro tipo di classificazione fa riferimento ai materiali di cui queste sono costituite:
organiche (acetati, nitrati di cellulosa, poliammidi, polietilene, polipropilene, poliolefine, polisulfone)  o inorganiche (ceramiche o metalliche)
naturali o sintetiche;
solide o liquide.
 
La maggior parte delle membrane polimeriche hanno una buona resistenza a moderate variazioni di pH ma sono poco resistenti nei riguardi dei solventi organici e del cloro.

Le membrane commerciali
utilizzate generalmente nel trattamento delle acque sono quelle costituite da materiali polimerici.

Le membrane inorganiche sono più costose di quelle polimeriche e pertanto vengolo utilizzate solo per dei trattamenti particolari.

In base alle dimensioni dei dei pori di passaggio i processi di filtrazione vengono denominati:

microfiltrazione o MF: può sostituire il trattamento di chiariflocculazione nel ciclo di potabilizzazione delle acque grezze
   - porosità nominale 0,01 - 0,02  μm (100-200 Å):
   - pressione operativa fino a 5 bar
   - si possono rimuovere particelle sospese, lieviti, pigmenti, emulsioni e batteri

ultrafiltrazione o UF
   - porosità nominale 0,002 - 0,02 μm  (20 -200 Å) 
   - pressione operativa fino a 10 bar
   - si possono rimuovere
colloidi, batteri, virus, zuccheri e proteine;

nanofiltrazione o NF 
   
- opera sul principio della diffusione in soluzione
   - porosità nominale 0,001 - 0,002  μm (10 -20 Å)
   - pressione fino a 50 bar
   - si possono rimuovere gli
ioni divalenti, colore, zuccheri, durezza, solfati

iperfiltrazione o IF o osmosi inversa o RO
   - opera sul principio della diffusione in soluzione
   - porosità nominale 0,0001 - 0,001  μm (1 - 10 Å)
   - pressione operativa 70-150 bar
   - si possono rimuovere ioni.
L´osmosi inversa può essere utilizzata ad esempio per la dissalazione a scopo potabile, per la depurazione di acqua a scopo industriale e farmaceutico.

Sporcamento

Durante i processi le membrane, anche mantenendo costanti tutte le condizioni operative, si  rileva una diminuzione del flusso del permeato nel tempo.

Tra le cause di questa riduzione, ci sono:
- la polarizzazione per concentrazione caratterizzato per un incremento della concentrazione del soluto nello strato limite laminare a contato con la membrana. Tale fenomemno è reversibile modificando le condizioni operative
- sporcamento o fouling è un fenomeno:
     • non reversibile 
     • di entità molto superiore al precedente 
     • che deriva dalla    
       - deposizione e dall´accumulo di particelle submicroniche sulla superficie della membrana 
       - cristallizzazione e precipitazione di soluto sulla superficie e tra i pori della membrana stessa.

Per ridurre questo fenomeno si procede a dei pretrattamenti atti ad eliminare quegli elementi che possono maggiormente dare origine a sporcamento come i solidi sospesi, le particelle colloidali e l´eliminazione degli agenti incrostati.

Ci sono comunque diverse tecniche di pulizia per la rimozione dello sporcamento di membrana:
 
• lavaggio in corrente;
 • lavaggio in controcorrente;
 • lavaggio ad aria;
 • lavaggio chimico
.


GEOMETRIA DEI MODULI
Le membrane vengono montate su opportuni supporti, dove sono collegate le tubazioni di alimentazione e di scarico in modo da formare dei moduli.

Modulo = la più piccola unità contenente una o più membrane e le strutture di supporto, che può operare indipendentemente dal resto dell´impianto.


Struttura geometrica è valida se riesce a minimizzare lo sporcamento della membrana ed alio stesso tempo  ad incrementare la superficie specifica del modulo.


Le principali tipologie di moduli sono:
 - ad avvolgimento a spirale (o spiral wound): moduli costituiti da una coppie di membrane piane incollate tra loro su tre lati e con il quarto collegato ad una canale centrale di raccolta del permeato. Le membrane sono poi avvolte attorno al detto canale. I due fogli di membrana sono sperati da una rete spaziatrice per il drenaggio del permeato. Questi moduli possono esser alloggiati in serie in un solo elemento tubolare. Hanno il pregio della compattezza ma hanno una bassa resistenza allo sporcamento a causa delle dimensioni ridotte dei passaggi ed alle basse velocità di flusso. Sono adottate per l´osmosi inversa e la nanofiltrazione a volte anche per l´ultrafiltrazione;

 - a fibre cave (o hollow fine fiber): questi moduli sono costituiti da tubicini di materiale sintetico del  diametro inferiore a 0,1 µm. Tali tubicini sono a struttura asimmetrica e vengono inseriti, con percorso a U, all´interno di un tubo in pressione. Le due estremità di ciascun tubicino in setti in resina epossidica;

Le membrane a fibra cava immersa prevedono una separazione a livello di ultrafiltrazione, e oltre che per la forma, si differenziano da quelle a pannelli piani per:
• Composizione della membrane (PE-C e/o PVDF, con proprietà non ionica e idrofila).
• Funzionamento detto OUT-IN, ovvero con l´aspirazione del permeato interrotta per brevi intervalli da un funzionamento in controlavaggio.

Questi moduli si prestano ottimamente al trattamento di reflui diluiti (COD di 200-1000 mg/l) e con concentrazioni di fango contenute entro i 10-12 kgSS/mc.

Anche in questo sistema la filtrazione avviene in modo tangenziale, con insufflazione d´aria tramite diffusori posti nella parte inferiore del modulo. Il movimento delle singole fibre, ancorate al sistema di suzione ad una o ad entrambe le estremità, combinato con l´aerazione per cross-flow, permette una velocità di filtrazione stabile e a bassi costi energetici, essendo sensibilmente maggiore la superficie filtrante aerata a parità d´aria insufflata rispetto alle membrane piane.

I cicli di pulizia con aria sono realizzati alternando basse ad elevate portate d´aria (air pulsing) in modo da assicurare che solidi, fibre e altre particelle siano allontanate dai capillari dei fasci delle membrane.


 - a moduli piani (o plate and frame): Ciascuna membrana è appoggiata su un supporto piano con  una griglia di drenaggio per evitare lo schiacciamento del compartimento del permeato. Varie unità di questo tipo sono assemblate insieme (sia in verticale che in orizzontale)su due lati di un supporto rigido canalizzato detto cartuccia. Le cartucce sono inserite parallelamente all´interno di appositi moduli di contenimento con canali comuni per l´alimentazione e per la raccolta del permeato.

I moduli comprendono nella parte inferiore, un sistema di insufflazione d´aria tramite appositi diffusori, in modo da attuare la così detta filtrazione tangenziale "cross-flow", necessaria per prevenire il deposito di fango e l´intasamento delle superfici filtranti.

Le membrane piane sono realizzate in materiale polimerico e possono operare sia nel campo della micro che ultrafiltrazione.

La portata specifica può variare notevolmente, anche e soprattutto in funzione del tipo di refluo da trattare (flusso critico, ovvero il valore di portata specifica, al di sotto del quale non si verificano intasamenti). Il sistema di aspirazione del permeato si basa su pompe autoadescanti autoregolate da inverter/pressostato, normalmente funzionanti in aspirazione continua con microcicli di rilassamento opportunamente calibrati. Per il mantenimento nel lungo periodo della permeabilità, sono previsti periodici lavaggi in controcorrente, con una frequenza variabile da un mese ad un anno. Con questa tipologia di membrane è possibile operare la filtrazione anche in presenza di concentrazioni di fango fino a 25-30 gr/l.


- a moduli tubolari (o tubular): in questo caso la membrana è appoggiata alla parete interna di un tubo poroso di norma in materiale plastico. Più elementi così raggrupati, costituiscono un singolo modulo. I vari elementi costituenti un singolo modulo possono  essere (o meno) tutti contenuti all´interno di un supporto tubolare esterno (involucro). I singoli moduli possono essere collegati sia in serie che in parallelo. In questi moduli l´alimento fluisce all´interno di ciascun tubo poroso, facendo fuoriuscire lateralmente il permeato, che è raccolto dall´eventuale involucro esterno. Questi moduli sono adottati principalmente per la microfiltrazione e l´ultrafiltrazione.



Tipi di flusso:
 

- flusso tangenziale (cross flow): il refluo scorre tangenzialmente e viene forzato ad attraversare la membrana dalla pressione che agisce sulle due facce della stessa; è utilizzato per il trattamento di fluidi con elevato contenuto di solidi sospesi.

- flusso ortogonale (dead end o a fondo cieco a flusso totale):Il refluo entra ortogonalmente nella membrana; il retentato rappresenta il prodotto trattenuto che si deposita sulla membrana stessa fungendo anch´esso da strato filtrante e determinando una riduzione del flusso permeato a causa dell´aumento della resistenza alla filtrazione; è utilizzato per il trattamento di fluidi con basso contenuto di solidi sospesi ed è meno costoso di quello tangenziale.



Schemi di processo

Dal punto di vista impiantistico i moduli sopra descritti sono utilizzati con differenti schemi di processo:

 • a singolo passaggio: il refluo attraversa una sola volta la membrana ed a valle si ottengono i due flussi separati, quello del permeato e quello del retentato. In questo caso si ottiene una percentuale di permeato molto piccola dell´alimento; pertanto questo schema si usa quando non sono richiesti fattori di concentrazione elevati;

 • con alimetazione a spurgo o feed and bleed
: è la più utilizzata. All´inizo del ciclo di lavorazione il retentato è ricirolato totalmente sino a raggiungere la concentrazione desiderata. A questo punto inizia lo spurgo per mantenere tale concentrazione del retentato nel reattore.

 • con ricircolo multistadio: consite nel mettere in serie più moduli ad alimentazione a spurgo (di solito 3-4 ma si può arrivare fino a 10). I vari moduli lavorano a fattori di concentrazione via via crescenti ed a flussi di permeato decrescenti.


Utilizzo

I processi a membrana attualmente sono sempre più utilizzati perché più competitivi, rispetto al passato, nei confronti delle tecniche convenzionali:

- nei trattamenti terziari degli impianti di depurazione per limitare lo scarico di sostanze inquinanti nei recapiti finali e produrre un effluente di qualità adatto al riutilizzo in agricoltura o nell´industria (processi di affinamento spinto degli effluenti);

- nei trattamenti secondari degli impianti di depurazione, in combinazione con il processo tradizionale a fanghi attivi - bioreattori a membrana o MBR (dall´inglese Membrane Biological Reactor);

- per la produzione di acqua potabile da acqua di mare - dissalazione per osmosi inversa;

- per la produzione di acqua potabile da reflui civili - molto costosa ed effettuata solo in alcuni impianti pilota;

- per il trattamento di acqua di falda e di superficie - potabilizzazione;

- per separare in modo selettivo particolari composti chimici di valore in vista di un loro utilizzo;

- trattamento dei percolati delle discariche;

Applicazione nel campo del trattamento dell´acqua grezza
Il settore delle acque primarie è attualmente tra quelli che consentono maggiori possibilità di applicazione per i processi a membrana, grazie alla più ridotta presenza di sostazne che provocano lo sporcamento della membrana che invece diventa un problema rilevante nel trattamento delle acque reflue.
In particolare si sta sviluppando negli ultimi anni l´uso di membrane nei processi di potabilizzazione delle acque di falda e superficiali.
Questo successo dei processi a membrana è stato incentivato anche dal progressivo deterioramento della qualità delle risorese idriche, soprattutto a causa della presenza di microinquinanti.

Applicazioni della tecnologia MBR al trattamento delle acque reflue
I Bioreattori a Membrana o MBR – dall'inglese Membrane Biological Reactor - rappresentano una tecnologia di depurazione avanzata rispetto a quella tradizionale più diffusa a fanghi attivati.

Il sistema MBR combina un  processo biologico tradizionale a fanghi attivi, con il processo di separazione a membrana (generalmente microfiltrazione o ultrafiltrazione).

I bioreattori a membrana sono nati negli anni ´60, e lo sviluppo di questa tecnologia sta avendo di recente una notevole diffusione a livello mondiale in tutti quei casi in cui è necessario garantire acque reflue depurate con caratteristiche qualitative particolarmente elevate senza tecnologie ad elevato consumo energetico.

Tali tecnologie consentono il reimpiego per uso civile (es. acqua di lavaggio delle strade), agricolo  e industriale (es. acque di processo o raffreddamento) delle acque reflue depurate consentendo la conservazione delle acque ad elevata qualità ad esclusivo uso potabile, al fine di non intaccare le risorse idriche mondiali disponibile oramai notevolmente sfruttate.

I Bioreattori a membrana, in base al posizionamento dell´unità filtrante rispetto al comparto biologico, vengono classificati in:
- schemi a membrane sommerse (o immerse) - submerged membranes- le membrane sono immerse all´interno della vasca di ossidazione a contatto diretto con il refluo; tramite una pompa autoadescante viene creata una lieve depressione all´interno del modulo filtrante che obbliga l´effluente trattato a passare attraverso le membrane e si ottiene un´efficiente separazione dei solidi (trattenuti sulla superficie esterna delle membrane) dalle acque filtrate (permeato) senza ulteriori trattamenti di sedimentazione ed affinamento;

- schemi a membrane esterne (o a circolazione esterna) - side stream: è lo schema più comune; le membrane sono esterne alla vasca di aerazione. L´effluente dalla vasca di ossidazione viene pompato nel modulo di filtrazione a membrana. Il retentato viene reimmesso nella vasca di ossidazione.

In ambedue gli schemi si ha la filtrazione a flusso tangenziale o cross flow, nel primo caso però il regime è ottenuto tramite l´insuflazionie di bolle d´aria, mentre nel secondo tramite il ricircolo di alimento con pompe.

Insufflaggio intermittente di aria viene effettuato nella parte inferiore del modulo contenente le membrane e consente di evitare il deposito del fango contrastando così l´intasamento delle membrane.

Per garantire l´efficienza nel tempo delle membrane queste vengono sottoposte periodicamente a contro lavaggio per rimuovere il materiale eventualmente depositato sulla superficie .

Il permeato viene successivamente sottoposto ad un trattamento di disinfezione, ad un trattamento di osmosi inversa o direttamente allo scarico. La tecnologia MBR sostituisce la sedimentazione secondaria in un impianto di depurazione tradizionale ed
ottimizza il processo di depurazione biologico.

I principali vantaggi sono:
- elevata efficienza nella rimozione di
solidi sospesi (SS) e di carica batterica;
- rimozione del BOD
prossima al 100%
- elevata nitrificazione
- riduzione dell´ingombro e dei costi di installazione;
- riduzione del 20-25% dei fanghi prodotti
rispetto ai fanghi attivati convenzionali
;
- rispetto dei limiti di concentrazione
più severi previsti dalla normativa vigente - con l´entrata in vigore del D.lgs n.152/99 e successivamente del D.lgs. n.152/06 (Testo Unico Ambientale - T.U.A.) in Italia sono stati imposti limiti di concentrazione più restrittivi per gli scarichi delle acque reflue depurate,
- possibilità di riutilizzo dell´acqua trattata.

I principali svantaggi sono:
- maggiori costi delle membrane;
- maggiori costi di manutenzione legati a frequenti lavaggi delle membrane per rimuovere il fouling.Le prestazioni di filtrazione MBR inevitabilmente diminuiscono con il tempo di filtrazione. Ciò è dovuto alla deposizione di materiali solubili e particolato sulla e nella membrana, attribuito alle interazioni tra fanghi attivi componenti e la membrana. Questa limitazione grave inconveniente e il processo è stato oggetto di indagine fin dai primi MBR, e rimane uno dei problemi più difficili di fronte un ulteriore sviluppo MBR. Fouling porta ad un aumento significativo della resistenza idraulica, Lavaggio membrane alternativa frequente è quindi necessario, aumentando in modo significativo i costi di gestione a causa di detergenti e fermi macchina. La sostituzione della membrana più frequente è anche previsto.

La maggior parte degli impianti di depurazione che utilizzano i processi a membrana sono impianti esistenti a fanghi attivati ammodernati.


I materiali più impiegati nella costruzione delle membrane UF sono CA (acetato di cellulosa, ormai obsoleto), PVDF (polivinildenfluoruro), PAN (poliacrilonitrile), PES (polieteresulfone) e ceramica. Dopo il 2005 sono state sviluppate membrane in PES e PVDF modificati allo scopo di aumentare l´idrofilicità del materiale destinato al contatto con l´acqua da filtrare.

DESCRIZIONE DELLA TECNOLOGIA

I bioreattori a membrana combinano i trattamenti biologici delle acque reflue con un processo di separazione solido-liquido estremamente efficiente quale la filtrazione attraverso membrane. Il sistema di filtrazione che sfrutta moduli a membrane per esempio di tipo a fibra cava con diametro nominale dei pori pari a 0,2 micron (micro-ultrafiltrazione) vengono immersi nella vasca a fanghi attivi.

Il refluo trattato per mezzo dei processi biologici viene aspirato attraverso la superficie delle membrane grazie ad una pompa che crea una depressione all´interno della fibra cava.
 La stessa pompa, ad intervalli costanti, opera il controlavaggio delle membrane invertendo il flusso del permeato. Per ridurre ulteriormente lo sporco, i moduli di filtrazione sono dotati di un sistema di insufflazione di aria che garantisce, attraverso una maggiore turbolenza in prossimità delle fibre, di minimizzare il deposito della biomassa sulle fibre stesse.

La biomassa non può attraversare le membrane e quindi può essere allontanata solo per spurgo: ciò permette un accurato controllo dell´età del fango e della sua concentrazione in vasca. Inoltre viene garantito un abbattimento della carica batterica notevolmente più elevato rispetto alla sedimentazione.

Il sistema consente anche una maggiore degradazione di composti organici refrattari. Infatti, l´elevato peso molecolare che spesso caratterizza tali composti li rende impermeabili alla membrana e quindi ne aumenta notevolmente il tempo di contatto nella vasca a fanghi attivi, favorendo tra l´altro lo sviluppo di consorzi microbici specifici.


VANTAGGI MBR
 
• Avviamento più veloce (non bisogna aspettare la crescita dei batteri fiocco- formatori)
• Non c´è necessità di inoculo
• Si può ottenere alta resa di abbattimento della frazione organica inquinante sin dall´inizio (data la presenza dei SS nel refluo di ingresso)
• Elevata qualità dell´effluente con possibilità di riutilizzo delle acque per:
     o Uso agricolo
     o Uso civile ( acque di lavaggio delle strade)
     o Uso industriale ( acque di processo o di raffreddamento)
• rendimenti molto elevati 
• possibilità di ampliare i depuratori senza realizzare nuove vasche
• superamento o minimizzare del problema di bulking da filamentosi
• minore sensibilità alle variazioni di carico
• non necessità la disinfezione
• alta concentrazione dei solidi e minore ingombro dei manufatti
• età del fango elevata e minore produzione fango di supero
• impianto conforme alle linee giuda delle migliori tecnologie applicate
• risulta assente la fase di sedimentazione secondaria, con conseguenti risparmi in termini di volumetrie ed ingombri in pianta
• risulta possibile il raggiungimento all´interno dei reattori di concentrazioni di biomassa dell´ordine di 15-30 gSSV/L, completamente svincolate dai tempi di residenza idraulici. possibilità di riutilizzare le acque depurate

A fronte di questi vantaggi dei sistemi MBR, restano ancora diversi aspetti da chiarire, sia in relazione alle cinetiche del processo biologico che al controllo dei fenomeni di sporcamente della membrana influenzati da una serie di fattori tipo:


1. Resistenza intrinseca della membrana
2. Pressione transmembrana
3. Condizioni idrodinamiche all´interfaccia membrana - soluzione
4. La permeabilità della membrana può subire variazioni nel corso del tempo date da:
   o Deterioramento chimico - fisico
   o Variazione delle caratteristiche dell´alimento 
   o Condizioni idrodinamiche meno efficienti 
   o Polarizzazione da concentrazione ( accumulo all´interfaccia del soluto respinto con formazione dello strato limite di concentrazione)
   o Fouling o sporcamente interno ( intasamento dei pori) o esterno ( occlusione dei pori)

Il fouling si sviluppa attraverso fenomeni di tipo chimico - fisico e dipende:
-
dalla tipologia della membrana (dimensione dei pori, carica superficiale),
- dalle caratteristiche del soluto presente nell´alimento ( pH, lipidi, oli, grassi)
- le condizioni operative ( T, portata e condizioni di turbolenza).


I nostri progetti relativi ai sistemici trattamenti delle acque sono caratterizzati dal chiavi in mano.

La nostra esperienza ci permette anche, in funzione delle esigenze del cliente di intervenire sui impianti esistenti con screening analitici e funzionali per riportargli in stato ottimale di efficienza.






Impianti in opera

Settori di applicazione



GOST Srl - Via Feliciano Ricci, 17 - 06034 FOLIGNO (PG) - P. IVA 02265650545 - Tel. 0742.21719/0742.24651 - Cell. 335.8400788