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Rimozione di nutrienti e microinquinanti attraverso un processo a fanghi attivi assistito da membrana e carboni attivi

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 m). 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/l (Run 1), a 9.2 g/l (Run 2), a 16.7 g/l (Run 3), a 18.2 g/l (Run 4) e successivamente diminuita a 10 g/l (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.
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. 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/l.
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/l. 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).
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 coliformi 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 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/l).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.

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Nutrients and micropollutants removal by a membrane bioreactor (MBR) and activated carbons 6 ABSTRACT 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 hollow- fibres type with a nominal pore size of 0.02 Πm, 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/l (Run 1), to 9.2 g/l (Run 2) to 16.7 g/l (Run 3), to 18.2 g/l (Run 4) and then decreased to 10 g/l (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 CO2, was the main removal mechanism for COD, when biomass concentration in the bioreactor was equal or larger than 9 g/l. 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/l. 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/l. 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

Tesi di Dottorato

Dipartimento: Dipartimento di Scienze Ambientali

Autore: Laura Innocenti Contatta »

Composta da 183 pagine.

 

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