Riassunto modulo 2 Fondamenti di ingegneria sanitaria ambientale

Acquatrattamenti chimico-fisici

Struttura delle membrane

Buona resistenza meccanica (processi, gradienti di pressione). La resistenza è direttamente proporzionale allo spessore della membrana stessa. Dimensione dei pori molto piccola, il che comporta un flusso minore, ma alta porosità.

Le membrane possono essere divise in base alla porosità in:

• Dense: sono caratterizzate da una porosità bassa (dimensioni dei pori <1nm). La funzione di separazione è data dalla selettività: le interazioni chimiche fra la membrana stessa e refluo permettono di separare da quest’ultimo anche particelle disciolte e ioni;
• Porose: a seconda della dimensione dei pori le membrane possono trattenere particelle più o meno piccole. Si possono suddividere in: macropori >50nm, mesopori 2nm-50nm, micropori <2nm. Vengono inoltre definite due nuove misure: il diametro nominale e il massimo diametro equivalente.

La struttura delle membrane può essere inoltre simmetrica o asimmetrica.

Materiali

Acetato di cellulosa (CA)

L’acetato di cellulosa è formato da una catena di polimeri di cellulosa. Le membrane che utilizzano questo tipo di materiale hanno una grande resistenza e un’ottima capacità filtrante. Gli svantaggi di questo materiale possono essere ricercati nel fatto che operano a determinati valori di pH (2-6) e di temperatura (fino a 35°). È inoltre resistente al cloro; possono essere quindi effettuati dei lavaggi con ipoclorito di calcio o di sodio per disinfettare e lavare la superficie delle membrane dove si sono accumulati microrganismi e batteri.

Polisulfone (PS) e polietilensulfone (PES)

È un materiale idrofilo che ha una buona stabilità chimica; la condizione di operatività di pH è fra 1 e 13, e ha una buona stabilità termica (lavora con temperature fino a 75°), non possono però lavorare con basse pressioni: aumentano così i problemi di fouling. Questo tipo di membrane sono ideali per la rimozione di cellule e particelle.

Membrane inorganiche

Possono essere ceramiche o metalliche. Presentano una buona resistenza chimica, meccanica e termica e una maggior durata operativa. Tuttavia presentano un costo maggiore (1000 €/m²) rispetto alle membrane polimeriche (40-100 €/m²) e quindi il loro uso è limitato al trattamento di alcune tipologie di acque industriali.

Classificazione dei processi a membrana

I tipi di filtrazione a membrana sono principalmente due:

• Dead end: la soluzione da filtrare è perpendicolare alla membrana stessa e la portata del fluido attraversa interamente la membrana che trattiene le particelle solide.
• Cross flow: la soluzione da filtrare è tangenziale alla membrana; in questo caso è il gradiente di pressione che permette al fluido di attraversare la membrana stessa.

Per convenzione le membrane sono classificate in base a tre diverse caratteristiche:

• La dimensione dei pori di passaggio.
• Il peso molecolare delle sostanze trattenute, detto anche taglio molecolare (MWCO, molecular weight cut off).
• Il tipo di forza che permette al permeato di attraversare la superficie filtrante, che può essere dovuta al gradiente di pressione, ad un potenziale chimico (dialisi) o ad un potenziale elettrico (elettrodialisi).

Tipologie di filtrazione

Microfiltrazione

La microfiltrazione rimuove particelle nel range di 0.1-10 μm e quindi solidi sospesi o batteri presenti all’interno del refluo. Le membrane operano con una bassa pressione transmembranica di circa 0.3-3.5 bar. Dato che le dimensioni dei pori sono relativamente grandi, maggiori pressioni aumenterebbero il fouling. La microfiltrazione viene generalmente usata come prefiltrazione o come sistema di filtrazione finale nei prodotti destinati ad uso alimentare (vino, succhi di frutta).

Ultrafiltrazione

L’ultrafiltrazione utilizza una membrana semipermeabile, che dopo l’applicazione di una pressione positiva, trattiene la maggior parte delle macromolecole di peso e/o dimensioni superiori al cut-off di peso molecolare della membrana. La pressione transmembranica in questo caso è più alta, di circa 1.5-7.0 bar. Gli ultrafiltri consentono la concentrazione o la rimozione di proteine, peptidi (amminoacidi) e pirogeni, oltre che di batteri, virus e colloidi. Sono utilizzati per la chiarificazione delle bevande, nell’industria alimentare e nell’industria farmaceutica. Gli ultrafiltri sono anche utilizzati per il recupero di alcuni componenti presenti in un determinato liquido: es. nell’industria automobilistica le membrane separano le resine in modo da poter essere successivamente riutilizzate nel bagno di vernice.

Nanofiltrazione

La nanofiltrazione trattiene particelle di diametro di circa 1nm. In questo tipo di membrane il meccanismo di separazione è composito: la pressione transmembranica (5-10 bar) e il potenziale chimico della membrana stessa. La struttura porosa della membrana permette di trattenere le particelle solide presenti all’interno del refluo; la superficie filtrante è inoltre dotata di carica in modo da impedire il passaggio degli ioni. La nanofiltrazione rispetto all’ultrafiltrazione rimuove: il colore, la torbidità, la durezza nonché virus e batteri; per questi motivi il più largo uso dei nanofiltri è nel trattamento di acque civili, con costi e pressioni operative minori di quelli per l’osmosi inversa. Questa tecnologia è anche utilizzata quale pretrattamento per l’osmosi inversa.

Osmosi inversa

L’osmosi inversa è il processo di filtrazione più fine e complesso e permette di trattenere tutte le specie ioniche. La separazione avviene grazie ad una pressione di esercizio molto alta: 15-70 bar. Tali valori di pressione servono per sovrastare la pressione osmotica attraverso la membrana stessa. In questo modo si può avere un passaggio di fluido da una soluzione più concentrata ad una meno concentrata (direzione contraria a quella che avviene naturalmente durante un processo osmotico). Le membrane sono semipermeabili ed il sistema usato è di tipo cross-flow, in modo da ridurre lo sporcamento. L’osmosi inversa viene utilizzata nella depurazione delle acque per rimuovere sali, colore, sostanze solide, zuccheri, proteine; viene inoltre utilizzata nella dissalazione delle acque marine e come trattamento finale di processi depurativi.

Geometria delle membrane

La struttura geometrica delle membrane deve essere tale da avere un’alta superficie specifica filtrante (superficie filtrante rispetto al volume occupato) in modo da ridurre il più possibile lo spazio occupato, mantenendo un buon grado di filtrazione; una struttura valida deve essere inoltre in grado di mantenere un certo grado di turbolenza per ridurre problemi di fouling; la geometria deve essere inoltre tale da permettere una facile pulizia.

Per la caratterizzazione di una configurazione, altri parametri da valutare sono: il consumo energetico, la semplicità costruttiva, la possibilità di modularizzare la membrana in modo da poterla usare in impianti pilota o in scala di laboratorio.

I principali tipi di membrane utilizzate per il trattamento delle acque reflue si basano su geometrie piane o cilindriche:

• Cartuccia filtrante pieghettata (pleated cartridge)
• Unità piana con supporto (plate and frame)
• A spirale avvolta (spiral wound)
• Tubolare (tubolar)
• A fibre cave sottili (hollow fine fibre)

MBR – Bioreattori a membrana

L’esigenza di accrescere l’efficienza di rimozione degli inquinanti nel processo di trattamento dei reflui e la ricerca di soluzioni che permettano una riduzione degli ingombri planimetrici e volumetrici degli impianti di depurazione costituiscono il contesto in cui si sono moltiplicati gli studi e sono nate le prime applicazioni su scala reale dei bioreattori a membrana.

La tecnologia degli MBR (Membrane Biological Reactor o Membrane BioReactor), si è sviluppata, negli ultimi anni, dall’impiego sinergico di due tecnologie note da tempo: i processi convenzionali a biomassa sospesa e la filtrazione su membrane.

Vantaggi

• Sedimentatore II è superfluo
• Elevate concentrazioni di biomassa
• Risparmio di spazio
• Effluente chiarificato
• Possibilità di operare a elevati tempi di residenza del fango (SRT)
• Ritenzione nel reattore delle particelle con dimensioni maggiori dei pori
• Elevata diversità microbica
• Selezione microbica svincolata dalla capacità dei microorganismi di sedimentare
• Ridotta produzione di fango
• Possibilità di upgrading impianti esistenti

Svantaggi

• Sporcamento della membrana (fouling/clogging)
• Elevati consumi energetici
• Elevati costi di investimento
• Più complicato dal punto di vista impiantistico rispetto ai fanghi attivi convenzionali

Pulizia

• Air scouring
• Relaxation
• Backwashing
• Lavaggi fisici e chimici

E il fouling? Devo essere in grado di monitorare il fenomeno. Monitoro la differenza di pressione prima e dopo la membrana; si osserva un aumento della differenza di pressione dovuto allo sporcamento della membrana. La pulizia della membrana avviene attraverso l’immissione di aria compressa che esercita un’azione abrasiva sulla membrana. In questa configurazione sono utilizzate membrane tubolari o plate and frame.

Cosa fare delle membrane che hanno esaurito il loro ciclo-vita?

• Attualmente vengono incenerite
• Membrane RO sono state utilizzate per UF in trattamenti terziari, desalination, filtrazione a gravità, Forward Osmosis

Questo processo è usato a New York per l’acqua grigia dei palazzi, in ogni palazzo c'è un MBR che tratta l’acqua che viene poi riusata.

Biomass concentrator reactor (BCR)

Le membrane usate negli MBR vengono sostituite da filtri. Dimensione pori: circa 20 μm. Prestazioni simili a MBR. Materiali: polietilene, stainless steel. Costi del materiale ridotti. Semplicità impiantistica: possono funzionare con un flusso a gravità (battente 5 cm). Testato su reflui domestici, MtBE in acqua di falda, acque di risciacquo delle cisterne delle petroliere. Fango è caricato negativamente, ed è quindi attratto da un anodo e respinto da un catodo. Utilizzare un filtro metallico come catodo, e inserire un anodo nella vasca per ridurre fouling.

Electro-coagulation

Idea parzialmente già realizzata in MBR, ma con catodo distinto dalla membrana o con membrana realizzata in materiale composito (costi >>). 5 V, 5 min ON/15 min OFF.

Risultati

• Rimozione COD: +8.7% rispetto al controllo
• Riduzione fouling: -25.2%
• Consumo energetico specifico < rispetto al controllo (consumo energetico >, ma prestazioni più alte)

Coagulazione-flocculazione

Le particelle colloidali

Sono delle sostanze in sospensione stabile che, nel tempo previsto per il dimensionamento delle vasche di sedimentazione, non subiscono un’apprezzabile decantazione. Hanno un diametro di 0,0001-1 micron e sulla superficie sono presenti delle cariche elettriche (in genere negative) che ne impediscono l’aggregazione.

Per neutralizzare queste cariche superficiali è necessario addizionare dei composti chimici; in genere si utilizzano i metalli polivalenti (es.: Al e Fe), dalla cui idrolisi si la formazione degli idrossidi (Al(OH)₃ e Fe(OH)₃).

I “fiocchi” di idrossido si aggregano tra loro, intrappolando i colloidi ormai destabilizzati; questo processo è detto flocculazione.

Due particelle colloidali sono soggette a due forze contrastanti:

• Forza repulsiva determinata dalle cariche di segno opposto (potenziale zeta); questa forza decresce con la distanza con andamento esponenziale (F = K_dr • e^-r)
• Forza di attrazione di Van der Waals che è inversamente proporzionale alla sesta potenza della distanza tra le particelle (F_a = K/d⁶)

Entrambe le forze decadono esponenzialmente con la distanza anche se la forza di Van der Waals decade più rapidamente, così da risultare predominante solo a piccola distanza; a distanza maggiore diventa predominante la forza repulsiva.

Affinché due particelle colloidali si possano agglomerare, è necessario quindi superare una barriera di energia costituita dal valore massimo della differenza tra le due forze. Sia i moti browniani (moti casuali dovuti agli urti con le molecole di solvente) sia agitazioni meccaniche del liquido non dispongono di un potenziale energetico tale da superare questa barriera.

L’obiettivo può essere raggiunto addizionando composti chimici capaci di formare ioni in soluzione che riducono o neutralizzano il potenziale zeta come:

• Composti che liberano ioni metallici idrolizzabili
• Composti polimerici ionizzabili (polielettroliti)

Il processo

La coagulazione è la prima fase del trattamento e consiste nella neutralizzazione delle cariche superficiali dei colloidi (potenziale zeta) tramite l’aggiunta di un reattivo; in genere si aggiunge anche un basificante (calce idrata o soda) per mantenere il pH in campo neutro.

Il processo è istantaneo poiché la sua durata è determinata dal tempo necessario per disperdere i reattivi nella massa liquida. Si realizza in vasche munite di agitatore veloce, di capacità tale da determinare un tempo di ritenzione di 25-60 sec.

La flocculazione invece consiste nell’accrescimento dei nuclei di precipitato tramite l’aggiunta di un polielettrolita (0.5-2 mg/l); il contatto tra i nuclei è favorito da un’agitazione lenta di durata di 5-20 min.

Infine la fase di sedimentazione finale consente la separazione e l’eliminazione dei fiocchi.

I reattivi flocculanti

Possono essere di origine minerale (silice attivata, sabbia, carbone attivo in polvere, argille, etc.), organica (amidi, derivati dalla cellulosa, etc.) o di sintesi. Questi ultimi, chiamati polielettroliti, sono i più utilizzati, sono caratterizzati da lunghe catene alle quali sono legati gruppi ionizzabili. Le particelle colloidali delle sospensioni, essendo normalmente caricate negativamente, richiedono di solito polielettroliti ad azione cationica.

Il dosaggio di reattivi di coagulazione e flocculazione viene stimato mediante delle prove di laboratorio. L’apparecchiatura utilizzata consiste in 4-6 posizioni per l’agitazione di campioni; gli agitatori sono dotati di numero di giri variabile, così da poter simulare le fasi di miscelazione rapida e lenta.

Nei bicchieri sono effettuati differenti dosaggi di reattivo, controllando il pH mediante il dosaggio di alcali. Il controllo del pH è fondamentale, in quanto ogni reattivo è caratterizzato da un preciso campo di pH che permette di minimizzarne il dosaggio. Al termine delle due fasi il contenuto dei bicchieri viene versato in coni Imhoff per decantare il fango e sul surnatatante vengono effettuate le analisi di interesse (torbidità, COD, …).

Il dosaggio ottimale di coagulante (da usare sull’impianto reale) si ricava dalla ricostruzione della curva di jar-test. Con le prove di jar-test inoltre si possono verificare diverse variabili come i tempi di agitazione, la velocità di agitazione, il pH ottimale, etc.

Campi di applicazione

• Pre-trattamenti dei liquami industriali: si realizza una “sgrossatura” dei liquami per conformarli ai requisiti di qualità della pubblica fognatura.
• Trattamento di acque superficiali destinate ad uso potabile: il processo è finalizzato all’abbattimento della torbidità. Fanno seguito altri stadi per la rimozione dell’inquinamento disciolto e per la disinfezione.
• Pre-trattamento di liquami misti civili-industriali: il trattamento ha una funzione di “sgrossatura”, livellando le punte di carico e rimuovendo inquinanti specifici.
• Trattamento terziario di liquami civili: il processo ha lo scopo di finitura. L’abbattimento spinto dei SS si traduce in una rimozione spinta di BOD e COD.

Una tecnologia innovativa e compatta: Actiflo

Actiflo, brevetto del gruppo Veolia, rappresenta uno stadio avanzato dei processi di chiariflocculazione e consente di ridurre di oltre l'80% la superficie occupata rispetto ai tradizionali sistemi. La tecnologia si caratterizza per il dosaggio, in aggiunta ai classici chemicals, di microsabbia, che aumenta, grazie all’elevata superficie specifica, la probabilità di incontro tra e particelle colloidali destabilizzate, favorendone l'aggregazione. Al tempo stesso, il peso della sabbia favorisce la sedimentazione dei fiocchi formatisi.

Tutto ciò rende possibile ridurre considerevolmente i tempi di flocculazione e utilizzare carichi idraulici sul sedimentatore (di tipo lamellare) sino 120 m³/m²·h, valori circa otto volte superiori a quelli dei normali decantatori a pacchi lamellari e addirittura 40 volte superiori a quelli dei sedimentatori tradizionali, l’impianto è compatto.

Adsorbimento su carboni attivi

Il processo

L’adsorbimento è un processo chimico/fisico che consente il trasporto di uno o più componenti (adsorbato) da una fase fluida verso una fase solida:

• Adsorbimento fisico: prodotto da forze di natura fisica (forze di attrazione elettrostatica e forza di Van der Waals).
• Adsorbimento chimico: prodotto dall’instaurarsi di legami chimici fra le molecole dell’adsorbente (carbone attivo) e le molecole dell’adsorbato (sostanza inquinante rimossa).

L’adsorbimento è una proprietà fisico-chimica dei solidi e dei liquidi che consiste nel trattenere o concentrare sulla propria superficie uno o più componenti (atomi, molecole, ioni) di altre sostanze solide e fluide a contatto con la superficie stessa.

Il carbone attivo

Metodo più usato, quasi tutta la materia organica ad elevata percentuale di carbonio può essere utilizzata per la produzione di carboni attivi. Le materie prime maggiormente utilizzate sono quelle più economiche e facilmente reperibili: legno, carbone, guscio di noce di cocco, torba, lignite ed antracite. In base alla materia prima utilizzata, si ottiene un prodotto con determinate caratteristiche, idoneo per una specifica applicazione.