Introduzione completa alla tecnologia delle membrane MBR: principi, vantaggi e svantaggi

Carenze e problematiche dei metodi tradizionali (processo a fanghi attivi):
Il trattamento tradizionale delle acque reflue si basa principalmente sui fanghi attivi (una massa gelatinosa formata da microrganismi e sostanze organiche e inorganiche a cui aderiscono) per decomporre gli inquinanti. Successivamente la miscela viene inviata ad una vasca di sedimentazione dove i fanghi sedimentano naturalmente, mentre dalla sommità defluisce acqua limpida. Questo metodo è stato utilizzato per secoli, ma deve affrontare diverse sfide persistenti:

Ampia area richiesta: è necessaria una grande vasca di sedimentazione per consentire al fango di depositarsi lentamente.

I fanghi tendono a "rigonfiarsi": se non si depositano correttamente, è probabile che scorrano via con l'acqua, con conseguente scarsa qualità degli effluenti.

Fanghi di supero in eccesso: viene prodotta una grande quantità di fanghi di supero, con costi di trattamento che rappresentano oltre il 25% dei costi operativi.

La concentrazione dei fanghi nel serbatoio di reazione non può essere aumentata: può essere mantenuta solo tra 1,5 e 3,5 grammi per litro, limitando l'efficienza della reazione.

L'emergere dell'MBR ha fornito una soluzione ai problemi sopra menzionati!
L'MBR sostituisce la vasca di sedimentazione secondaria con moduli a membrana, ottenendo una separazione più accurata di fanghi e acqua. I microrganismi vengono intercettati dalla membrana, consentendo loro di rimanere nel sistema mentre l'acqua viene scaricata attraverso la membrana!
Di conseguenza, la concentrazione dei fanghi può essere aumentata da 8 a 15 grammi per litro, ovvero da 3 a 5 volte superiore a quella dei metodi tradizionali.

Non dovrai più preoccuparti dei problemi di accumulo dei fanghi. Con lo screening dimensionale dei pori della membrana, indipendentemente dal fatto che i fiocchi di fango siano sciolti o meno, o che galleggino o meno, la membrana intrappola direttamente tutti i fanghi. Non importa quanto sia voluminoso il fango o quanto sia scarsa la sua sedimentazione, non può passare attraverso i pori della membrana e non verrà perso con l'effluente, garantendo una qualità stabile dell'effluente.

La qualità dell'acqua effluente è eccellente, con solidi sospesi quasi pari a zero e torbidità inferiore a 1 NTU.

Composizione dell'MBR
L'MBR è equivalente a un bioreattore più un modulo a membrana. Il bioreattore è il luogo in cui lavorano i batteri, mentre il modulo a membrana funge da setaccio per separare l'acqua fangosa.

Classificazione per posizione del modulo a membrana
Tipo ad immersione (tipo integrato): la membrana è immersa direttamente nel serbatoio biologico e l'acqua viene estratta mediante aspirazione a pressione negativa. Il vantaggio di questo metodo è il basso consumo energetico e l'ingombro ridotto, ma lo svantaggio è il flusso di membrana relativamente basso.

Tipo esterno (separato): la membrana è impostata separatamente e il liquido miscelato viene pressurizzato da una pompa e quindi passa attraverso la membrana. Il vantaggio è il funzionamento stabile e la facilità di pulizia, ma il consumo di energia è maggiore.

Attualmente, l'MBR immerso è ampiamente utilizzato nel mercato, particolarmente adatto al trattamento delle acque reflue domestiche.

Classificazione per forma del modulo di membrana
Tipo a fibra cava: elevata densità di imballaggio, ingombro ridotto, ma soggetto a rottura e blocco del filo e difficile da pulire.

Tipo piatto: semplice da produrre, di facile manutenzione e facile da pulire, ma con una densità di imballaggio inferiore.

Tipo di tubo: non soggetto a intasamenti, resistente alla contaminazione, facile da pulire, ma con la densità di imballaggio più bassa e un prezzo più elevato.

Come funziona il "filtraggio" nell'MBR?
Il nucleo dell'MBR risiede nella filtrazione su membrana. A seconda della modalità operativa, la filtrazione su membrana può essere classificata in due tipi:

Filtrazione a pressione costante: è come spingere un setaccio con una forza fissa. All'inizio l'acqua limpida scorre velocemente, ma quando la superficie del setaccio si intasa di fango, il flusso rallenta. Il tasso di produzione dell'acqua diminuisce continuamente nel tempo!

Filtrazione a flusso costante: mira a una "portata di uscita dell'acqua costante". Per raggiungere questo obiettivo, quando la membrana si inquina e la resistenza aumenta, il sistema aumenterà automaticamente la forza di aspirazione (la differenza di pressione transmembrana aumenta) per mantenere la stessa produzione d'acqua. Allo stesso tempo, attraverso un regolare lavaggio con aerazione o lavaggio inverso, gli inquinanti sulla superficie della membrana vengono soffiati via e lavati via, consentendo alla membrana di "prendere fiato". Questo approccio non solo controlla efficacemente l'inquinamento della membrana, estende il ciclo di pulizia, ma mantiene anche un'elevata efficienza di produzione dell'acqua, consentendo al sistema di funzionare stabilmente per lungo tempo.

In che modo i microrganismi "mangiano" gli inquinanti?
Il trattamento biologico in MBR è essenzialmente un processo di decomposizione della materia organica da parte di microrganismi in condizioni aerobiche. Dopo aver ingerito la materia organica, i microrganismi fanno principalmente due cose:

Anabolismo: una parte della materia organica viene utilizzata per costruire il proprio corpo, portando ad un aumento del numero di microrganismi.

Metabolismo di decomposizione: un'altra parte della materia organica viene completamente decomposta in sostanze stabili e innocue come anidride carbonica e acqua, rilasciando energia affinché i microrganismi possano sostenere la vita. (La sua essenza è simile ai fanghi attivi)

I vantaggi principali dell'MBR
La qualità dell'effluente è eccellente: i solidi sospesi nell'effluente dell'MBR sono quasi pari a zero, con una torbidità inferiore a 1 NTU, e indicatori come COD e azoto ammoniacale sono di gran lunga superiori a quelli dei processi tradizionali. Può essere riutilizzato direttamente per lo sciacquone dei WC, il rinverdimento, il lavaggio delle auto, il rifornimento idrico del paesaggio, ecc.

Ingombro ridotto: eliminando la necessità di un serbatoio di sedimentazione secondaria, il processo è breve e può essere progettato come tipo sotterraneo, rendendolo particolarmente adatto per città o aree residenziali con terreno limitato.

Bassa produzione di fanghi in eccesso: l'MBR può funzionare in condizioni di lunga età dei fanghi, consentendo ai fanghi di digerirsi, con conseguente volume di produzione di fanghi che è solo da un-terzo a una-metà di quello dei metodi tradizionali, riducendo significativamente il costo di smaltimento dei fanghi.

Forte resistenza ai carichi d'urto: non teme l'accumulo di fanghi, poiché i fanghi ad alta-concentrazione forniscono una forte capacità tampone.

Elevato grado di automazione: il tempo di ritenzione idraulica e l'età dei fanghi sono completamente separati, facilitando il raggiungimento di un controllo completamente automatico e un funzionamento e una gestione convenienti.

Le carenze e le sfide dell’MBR
Investimento elevato: il costo dei componenti della membrana è elevato e l'investimento nel progetto è superiore dal 30% al 50% rispetto a quello dei metodi tradizionali.

Elevato consumo energetico: processi come l'aerazione e l'aspirazione della membrana consumano una notevole quantità di elettricità!

Incrostazione della membrana: la membrana può ostruirsi e richiede una pulizia regolare. Il fouling della membrana è diviso in tre fasi - fouling iniziale (assorbimento entro poche ore), fouling lento (accumulo di colloidi entro poche settimane) e fouling rapido (la caduta di pressione transmembrana aumenta entro pochi giorni), che richiedono diversi livelli di misure di pulizia.

Costo elevato di sostituzione della membrana: la durata di vita di una membrana è generalmente di circa 5 anni e deve essere sostituita quando scade, il che rappresenta una spesa significativa per il funzionamento a lungo-termine.

I requisiti di pretrattamento sono rigorosi: è necessario installare griglie ultra-sottili (da 1 a 2 millimetri), altrimenti capelli e fibre impiglierebbero le fibre della membrana, causando un grave inquinamento e persino danni alla membrana. Allo stesso tempo è anche molto sensibile alle sostanze oleose.