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Lo scopo del lavoro sperimentale condotto nel corso dei tre anni di dottorato di ricerca è stato
quello di verificare l'affidabilità e le rese di un processo biotecnologico avanzato per il
trattamento delle acque reflue: il bioreattore a membrana (MBR). La necessità di imporre
standard di qualità di alto livello per le acque ed il possibile riutilizzo delle acque di scarico
hanno determinato la necessità di adottare processi di trattamento di tipo avanzato per le acque
reflue. Tra le migliori tecnologie in campo biotecnologico che permettano il raggiungimento di
standard così elevati, emerge il bioreattore a membrana. Al fine di ottenere maggiori
informazioni in merito all'applicazione dei bioreattori a membrana soprattutto nell'ottica di un
utilizzo in piena scala, a partire dal 1999 è stato condotto uno studio a scala pilota tramite un
bioreattore a membrana con modulo filtrante da ultrafiltrazione (dimensione nominale dei pori
0.02 µm). I principali obbiettivi della ricerca sono stati la determinazione delle efficienze e lo
studio dei meccanismi alla base di esse per la rimozione dei nutrienti (C, N, P) e dei
microinquinanti, oltre alla determinazione delle condizioni operative ottimali per il processo a
fanghi attivi MBR. La sperimentazione è stata organizzata in cinque periodi sperimentali
durante i quali la concentrazione di biomassa in reattore è stata incrementata da 3.7 g/1 (Run 1),
a 9.2 g/1 (Run 2), a 16.7 g/1 (Run 3), a 18.2 g/1 (Run 4) e successivamente diminuita a 10 g/1 (Run
5). Durante il Periodo 4 si è proceduto all'aggiunta, direttamente in reattore, di carbone attivo
granulare (GAC) in ragione dell'1% in peso secco per valutarne gli effetti sulla rimozione dei
microinquinanti.
L'applicazione della tecnologia a membrana ha portato ad ottimi risultati in termini di
rimozione dei macroinquinanti (solidi sospesi e nutrienti). In particolare, la rimozione dei solidi
sospesi ha portato ad un effluente completamente privo di essi. Questo aspetto è di
fondamentale importanza quando si considera che a questa frazione sono legati la maggior
parte di macro e microinquinanti che possono pregiudicare il riutilizzo dell'acqua trattata.
La rimozione del COD è stata sempre ottima, generalmente nell'intervallo 84-94% e le rese
dell'MBR sono state sempre maggiori del 30% rispetto ad un processo convenzionale. Ancora
una volta questo risultato è legato alla ritenzione delle macromolecole organiche da parte del
modulo da ultrafiltrazione. La respirazione, ovvero la conversine delle sostanze organiche in
CO2, è stato il principale meccanismo di rimozione del COD quando la biomassa in reattore era
in concentrazione uguale o superiore a 9 g/1.
L'azoto è stato rimosso in modo soddisfacente, con rese nell'intervallo 61-90%, e con una
concentrazione di azoto totale nell'effluente finale tra 4.5 e 11 mgN/1. La denitrificazione ha
rappresentato la principale via di rimozione dell'azoto in corrispondenza di elevate
concentrazioni di biomassa in reattore, quando la resa osservata di crescita era estremamente
limitata (0.1 gMLVSS/gCODrimosso o meno). Inoltre, la concentrazione di azoto ammoniacale
nell'effluente è sempre stata al di sotto di 1 mgN/1. Questo risultato è dovuto alla perfetta
ritenzione della biomassa nitrificante all'interno del reattore che ha comportato un
miglioramento nel processo di nitrificazione biologica. Il tasso di utilizzo dell'azoto
ammoniacale (AUR) è stato di 2.5-3 mgN/gVSS-h, valori che corrispondono ai più alti valori
riportati in letteratura per processi convenzionali a fanghi attivi.
La rimozione del fosforo è variata tra efficienze del 73 e del 77%, grazie all'azione contenitiva
del modulo da ultrafiltrazione. Non si sono osservati fenomeni di "luxury uptake" da parte dei
microrganismi fosforo-accumulanti (PAO) dal momento che il contenuto di fosforo nel fango
non ha superato il 2.8% (su base TS).
E' stato sviluppato un modello semplificato e provvisorio per la simulazione dei processi di
rimozione di azoto e fosforo che ha permesso una buona simulazione dei dati sperimentali.
Nonostante ciò, sono necessari ulteriori sviluppi del modello, soprattutto in termini di
differenziazione delle costanti cinetiche.
La rimozione dei conformi totali è stata molto efficace (riduzione di 4.7-5.1 log) mentre la E. coli
non è mai stata trovata nel permeato. La variazione di concentrazione in reattore non ha influito
sull'efficienza di rimozione dei patogeni.
Sono stati determinati sperimentalmente I valori delle costanti cinetiche per il processo MBR. La
resa di crescita della biomassa Y è risultata pari a 0.24 gMLVSS/gCODrimosso mentre il coefficiente
di decadimento endogeno è risultato pari a 0.01 day1. IL valore della crescita osservata ha
mostrato di diminuire con l'aumento dell'SRT.
L'applicazione di elevate età del fango ha determinato una diminuzione nel contenuto di
sostanza volatile in reattore (biomassa). Il rapporto MLVSS/MLSS è passato dall'80% al 53%,
come anche l'attività della biomassa. Ciò significa che operare ad età del fango così elevate
(corrispondenti a MLSS > 15 g/1) comporta solo inutili costi per l'aerazione senza portare ad
effettivi benefici.
Sono stati studiate le efficienze di rimozione ed il destino finale sia di metalli che di
microinquinanti organici da parte del processo MBR, in confronto anche con un sistema
convenzionale a fanghi attivi. L'efficienza di rimozione dei metalli per l'MBR è stata in generale
superiore al 75%, valore a sua volta superiore del 10-15% rispetto al processo convenzionale.
Questa discrepanza è dovuta essenzialmente alla capacità della membrana di trattenere i solidi
sospesi ai quali i metalli sono legati. I risultati sono stati ottimi anche operando a valori di
concentrazione di biomassa inferiori (9 g/1).
Sulla base delle efficienze di rimozione si possono individuare tre gruppi di metalli: un primo
gruppo, facilmente rimovibile (efficienza > 75%), al quale appartengono Al, Ag, Ba, Cd, Cr, Cu,
Fe, Hg, Sn, un secondo gruppo a media efficienza di rimozione (40 - 60%), al quale
appartengono Co, Mn, Ni, Pb, V and Zn ed un terzo gruppo di metalli difficili da rimuovere
(efficienza < 25%) quali As, B e Se. L'arsenico ha rappresentato il problema principale dal
momento che la sua concentrazione nell'effluente era sempre superiore a quella permessa
attualmente in laguna di Venezia.
La rimozione delle sostanze organiche è stata elevata sia nel caso dell'MBR che del processo
convenzionale sebbene l'MBR abbia mostrato efficienza migliore per alcuni composti quali
tensioattivi non ionici (BIAS), esaclorobenzene e PCB.
Le rese del modulo da ultrafiltrazione sono state studiate ponendo particolare attenzione alle
variazioni di flusso e pressione transmembrana rispetto alla concentrazione di biomassa in
reattore. E' stato applicato il modello delle resistenze in serie per la valutazione del valore della
resistenza offerta alla filtrazione, al fine di verificare la relativa importanza dei fenomeni di
fouling e di polarizzazione di concentrazione.
The aim of the experimental work carried out during the three-years PhD was to verify the
reliability of and advanced biotechnological process for wastewater treatment: the membrane
biological reactor (MBR). The need of high quality standards and of the possible reuse of treated
wastewater, determines the necessity to adopt advanced wastewater treatment processes.
Among the best available technologies in the biotechnological field, the Membrane Biological
Reactor (MBR) seems to be the best option for the achievement of such results. In order to gain
more information about MBR processes and their proper full scaling-up, a study concerning the
pilot-scale application of an ultrafiltration submerged MBR for the treatment of wastewaters
has been carrying out since 1999. The membrane utilised in this experimentation was a hollowfibres
type with a nominal pore size of 0.02 µm, that is the ultrafiltration range. The main goals
of the research were the determination of the efficiencies and the study of the related
mechanisms for the removal of nutrients and micropollutants and the definition of the best
possible treatment option for waste activated sludge produced within the MBR process. During
the experimentation, five experimental runs have been carried out. The biomass concentration
have been increased from 3.7 g/1 (Run 1), to 9.2 g/1 (Run 2) to 16.7 g/1 (Run 3), to 18.2 g/1 (Run 4)
and then decreased to 10 g/1 (Run 5). During Run 4 also granular activated carbon (GAC) was
added within the reactor (1% on a dry weight basis) to investigate the possible improvement on
micropollutants removal.
The application of the membrane technology gave excellent results in terms of removal of
macropollutants: suspended solids and nutrients. In particular, the total suspended solids (TSS)
removal was virtually quantitative and a "solids free" effluent was obtained. This aspect is of
outmost importance when considering the removal of the fractions of nutrients and
micropollutants bound to the solid matter in order to allow an easy reuse of the treated water or
the discharging of effluents with high quality standards in water bodies.
COD removal was always at good levels, generally in the range 84-94% and the MBR allowed a
30% improvement in the removal of this pollutant compared to a conventional process. This
result was mainly tied to the suspended solids removal from the effluent stream of the MBR
and to the retention of organic macromolecules exerted by the ultrafiltration membrane.
Respiration, that is the conversion of organic substances into CCh, was the main removal
mechanism for COD, when biomass concentration in the bioreactor was equal or larger than 9
g/1.
Nitrogen was successfully removed, with yields in the range 61-90%, and with a concentration
of total nitrogen in the effluent in the range 4.5-11 mgN/1. Denitrification was the main removal
process for high biomass concentrations in the bioreactor, when the sludge yield was extremely
poor (Yobs equal to 0.1 gMLVSS/gCODremoved or lower). Moreover, ammonia nitrogen
concentration in the effluent was constantly below 1 mgN/1. This result has to be ascribed to the
perfect retention of nitrifying biomass exerted by the ultrafiltration membrane and thus the
improvement of the nitrification process. The MBR biomass showed ammonium utilisation
rates (AUR) of 2.5-3 mgN/gVSS-h, which are equal to the highest values generally found in the
conventional activated sludge processes.
Phosphorous removal ranged between 73 and 77%: this effect was mainly due to the retaining
of the particulate matter. In fact, the "luxury up-take" mechanism by phosphorous
accumulating organisms (PAO) was not observed and phosphorous content in biomass reached
a maximal concentration of 2.8%. This value is probably too low to claim the presence of PAO in
activated sludge.
A provisional simplified mathematical model for the simulation of the nutrients (COD and
nitrogen) removal processes has been developed. It satisfactory simulated the experimental data
(real process). This first form will be developed with more detailed differential equations in
further studies.
Removal of total conforms was very effective: a 4.7-5.1 log reduction was observed. Escherichia
coli was never found in the permeate. The variation of biomass concentration in the bioreactor
did not affected the removal efficiency of pathogens
The values of the kinetic constants for the MBR process were experimentally determined based
on data collected during the five (pseudo) steady-state conditions reached in the five periods,
from 1 to 5. The biomass yield, Y, and the decay coefficient kd, were found to be equal to 0.24
gMLVSS/gCODremoved and 0.01 day1, respectively. These values are slightly lower than those
generally found in conventional activated sludge. Yobs value showed to decrease exponentially
with increasing SRTs.
The application of high SRTs determined a decrease in the volatile matter (bacteria) content in
activated sludge. The MLVSS/MLSS ratio passed from 80% to 53% and the biomass activity
accordingly decreased: the ammonium utilisation rate doubled when passing from some 1000
down to 200 days or less of SRT. This means that working with high biomass concentrations in
the bioreactor, let say over 15 g/1, determines the oxidation of sludge in the bioreactor and
therefore useless expenses for aeration. Moreover, a decrease in biomass viability was observed.
Therefore, it is more convenient to operate in an interval of biomass concentration of some 8-12
g/1. This determines also other advantages in treatment process since this biomass concentration
makes it much easier to keep the membranes clean, improve the oxygen transfer efficiency and
mix and handles the activated sludge.
The removal efficiencies and the fate of both metals and organic compounds in the MBR and in
a conventional activated sludge process were studied. The removal efficiency from treated
wastewaters for the MBR system was generally high for metals (> 75%). This efficiency was
generally 10-15% higher than that of a conventional activated sludge process. The increase in
metals removal efficiency was due to the capability of the membrane to perfectly retain the
suspended solids from the bioreactor effluent. These results were nearly equivalent when
considering periods at 9 or 16 - 18 g/1 of biomass in the MBR, so it seems sensible to operate at
the lower concentration of MLSS to reduce the treatment process expenses (aeration, mixing,
and stabilisation). The MBR allows improving the exploiting of the bio-sorption capability of
the activated sludge for metals (especially heavy metals) and can be considered a suitable
technology for the removal of this class of pollutants from wastewaters.
According to the removal efficiencies found in the MBR experimentation, three different groups
of metals can be individuated: the easily removable, the metals which showed removal yields >
75%, like Al, Ag, Ba, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Sn, the metals only partially removable, with removal
yields in the range 40 - 60%, like Co, Mn, Ni, Pb, V and Zn and the metals hard removable, like,
As, B and Se, which showed removal yields < 25%. Arsenic in particular showed the worst
removal efficiency and was the main problem encountered in the MBR experimentation since it
exceeded the discharge limits imposed for very sensitive areas like the lagoon of Venice.
The metals concentrations in sludge were equal or higher in the MBR experimentation at 9 g/1 of
biomass compared to the conventional process (CASP), but those concentrations decreased
increasing the solid retention time (SRT) of the MBR system, probably because a steady state
condition was not really reached during the experimental periods 2, 3 and 4, when very high
SRTs were applied to the MBR (i.e., up to 1000 days).
The removal of organic substances was very effective for both the conventional and the MBR
process, generally higher than 90%. However, the MBR, thanks to the membrane separation
system, showed the capability of better removing some classes of compounds, like non-ionic
surfactants (BIAS) and some chlorinated priority pollutants: hexachlorobenzene and
poly chlorinated biphenyls (PCB). Some priority pollutants, like the organic aromatic solvents,
the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), dioxin, and polychlorinated biphenyls (PCB)
showed efficiency removal near or equal to 100% in the MBR process. Only the nitrogen
herbicides, probably because of their chemical structure, showed removal efficiencies in the
range 20% - 60%.
The ultrafiltration module performances have been studies with particular concern for flux and
transmembrane pressure variation with varying biomass concentration within the reactor. The
resistance-in series- model has been applied for resistances evaluation to investigate the
importance of fouling and concentration polarization on the MBR performances. |
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