Analisi sperimentale e modellistica di formazione del fouling delle menbrane negi sistemi MBR

Abstract

La tecnologia MBR è una realtà consolidata e la sua applicazione è considerata una valida alternativa ai sistemi convenzionali, soprattutto ove il refluo depurato assuma pienamente il ruolo di “risorsa” riutilizzabile. Tuttavia, la diffusione dei bioreattori a membrana è frenata prevalentemente dall’elevato costo di investimento su cui grava, inoltre, l’impossibilità di prevedere correttamente la durata della vita utile delle membrane a causa dell’incompleta conoscenza del fouling, della sua evoluzione e delle sue conseguenze. Il fenomeno di sporcamento, infatti, è estremamente complesso e la conoscenza dei meccanismi di deposito e le proprietà sporcanti di tutti gli agenti presenti nella miscela da filtrare è lungi dall’essere completa. In questo contesto, le caratteristiche della particolare miscela filtrata (fango attivo) hanno un ruolo essenziale nella definizione qualitativa e quantitativa del fouling; tuttavia, a causa dell’estrema complessità della sua composizione, è praticamente impossibile scorporare l’influenza di ogni elemento, fisico o biologico, nei confronti della formazione dei fenomeni di sporcamento (dimensione dei fiocchi biologici, dispersione cellulare, presenza di composti organici ed inorganici, grado di attività e maturazione batterica, etc.). Per quanto detto sopra, allo scopo di migliorare le conoscenze sul fouling, buona parte delle ricerche concentrano l’analisi sperimentale sullo studio degli effetti causati dalle singole componenti (soprattutto batteri, proteine e colloidi) sul processo di micro o ultrafiltrazione. Parallelamente all’analisi delle componenti più sensibili, la letteratura focalizza l’attenzione sui principali parametri tecnico-gestionali che possono condizionare il processo: carico inquinante, idrofobicità della membrana e della miscela aerata, flusso di permeato e dimensioni dei pori della membrana. La complessità del fenomeno viene aggravata dalla natura estremamente labile di alcune sostanze (EPS, sostanze umiche, ecc…) che possono influenzare negativamente i meccanismi di deposito in funzione delle variazioni delle condizioni operative e gestionali. Inoltre, l’interazione tra colloidi in sospensione e cake depositato sulla membrana è influenzata da moltissime variabili che sono legate alle numerosissime componenti presenti nella miscela biologica, e alle loro correlazioni, di conseguenza possono manifestarsi significative differenze, in termini di permeabilità e persistenza dello stato di deposito, anche in due impianti funzionanti con la stessa configurazione e con le stesse apparenti condizioni di funzionamento. Da un punto di vista teorico, si può affermare che lo sporcamento della membrana è dovuto a due fenomeni fondamentali: il deposito di colloidi, batteri, protozoi e virus all’interno dei pori (sporcamento interno) e il deposito superficiale (deposizione esterna) dei fiocchi biologici e delle particelle sospese che hanno dimensioni mediamente superiori a quelle dei pori. Sebbene i meccanismi di sporcamento siano stati studiati a lungo, in letteratura ci sono molte contraddizioni sull’effettivo ruolo di molti foulants (agenti sporcanti); molti autori, infatti, assegnano un peso totalmente opposto al ruolo esercitato dai singoli agenti responsabili dello sporcamento, o all’effetto che questi hanno sul tipo di deposito (reversibile, irreversibile, irremovibile …) . Una recente review sui sistemi MBR, distingue tre diversi tipi di intasamento delle membrane (Meng et al., 2009): il fouling reversibile, irreversibile e irremovibile. Il primo può essere rimosso tramite lavaggio idraulico, ad esempio controlavaggio e azione idrodinamica; il fouling irreversibile non può essere rimosso per semplice pulizia idraulica, ma richiede una pulizia più intensa (cioè chimica); infine il fouling irremovibile non può essere rimosso da ogni approccio. Ulteriori motivi di contraddizione sono e