Membrane immerse per filtrazione terziaria

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   LA MEMBRANA IMMERSA A FIBRA CAVA SUPPORTATA ZeeWeed^®

Le membrane a fibra cava supportata ZeeWeed500D^® rappresentano di fatto la tecnologia a membrane polimeriche organiche sommerse più diffusa al mondo impiegata nella separazione solido-liquido di miscele aerate provenienti da impianti biologici per trattamento di reflui municipali e industriali.

La membrana a fibra cava supportata ha una struttura e una geometria che sicuramente offre i maggiori vantaggi, bassa occupazione del suolo e ridotti costi operativi, tra le membrane attualmente disponibili sul mercato per il trattamento delle acque primarie (potabilizzazione) e secondarie (trattamenti di affinamento terziario) caratterizzate da contenuti di solidi sospesi medio alti e per impianti di dimensioni elevate. Infatti, i dispositivi di filtrazione che utilizzano questo tipo di membrane:

• possono sviluppare un’elevata densità di superficie filtrante per unità di volume occupata;
• Possono trattare acque con elevati contenuti di solidi sospesi;
• hanno una domanda energetica specifica (kWh/m³) tra le più basse presenti sul mercato;
• son molto affidabili e robuste limitando ai minimi termini le richieste di manutenzione straordinaria e hanno un tempo di vita attesa tra i più lunghi tra i prodotti offerti dal mercato;

I dispositivi a membrane immerse ZeeWeed^® lavorano in configurazione OUT-IN, il senso della filtrazione va dall’esterno della fibra cava verso l’interno. I solidi sospesi rimossi vengono perciò concentrati all’esterno della membrana mentre solo il permeato (acqua chiarificata) raggiunge il canale interno della fibra (lumen) da dove viene poi raccolto e convogliato verso lo scarico/utilizzo finale.

L’introduzione sul mercato dei moduli ZeeWeed^®, anche grazie ad alcune innovazioni tecnologiche introdotte recentemente, capaci di assicurare una rilevante riduzione del consumo energetico, ha reso possibile l’utilizzo delle membrane a fibra cava anche in applicazioni complesse con sospensioni ricche di solidi sospesi che fino a qualche anno fa non potevano essere filtrate con la tecnologia a membrane: la fibra cava ZeeWeed ^® è particolarmente robusta, può lavorare con elevati tenori di SS ed è “supportata” ovvero costituita da un tubolare tessuto rivestito esternamente da una membrana polimerica macro porosa (elevato rapporto V_vuoto/V_occupato) che agisce da elemento filtrante. Il grado di filtrazione di questa membrana si colloca nel campo dell’ultrafiltrazione (0,04 µm nominale) consentendo non solo il trattenimento dei solidi ma anche un sostanziale abbattimento della carica batterica, indirettamente di quella virale e di buona parte dei collodi.

Le membrane sono immerse nella sospensione acquosa da trattare e la filtrazione è condotta aspirando l’acqua all’interno delle fibre cave utilizzando una pompa che, creando una leggera depressione, richiama l’acqua pulita (permeato) all’interno delle fibre senza permettere il passaggio del materiale sospeso. L’acqua una volta permeata all’interno della membrana fluisce senza impedimenti lungo la fibra ed è pompata al serbatoio di raccolta e quindi avviata allo scarico/al riuso..

Le membrane a fibra cava supportata ZeeWeed^® sono contro-lavabili: è possibile invertire il verso di filtrazione e inviare un flusso di acqua pressurizzata all’interno della fibra cava creando i presupposti rimuovere il materiale solido che eventualmente si è accumulato sulla superficie della membrana e quindi ristabilire la capacità filtrante della stessa. Le membrane ZeeWeed^® sono in grado di sopportare TMP in entrambi i versi fino a 90 kPa. In termini applicativi, a possibilità di eseguire cicli di contro-lavaggio alle stesse o a maggiori pressioni operative dei cicli di filtrazione, è fondamentale per avere un’efficace rimozione del panello di filtrazione (materiale accumulatosi  sul filtro) e quindi poter avere un controllo adeguato della permeabilità delle membrane ovvero di mantenere costante nel tempo la capacità di filtrazione del filtro stesso.

Per controllare la naturale tendenza all’intasamento che si manifesta durante il processo di filtrazione, i moduli di filtrazione sono dotati di un sistema d’insufflazione di aria che garantisce, attraverso una maggiore turbolenza in prossimità delle fibre, di minimizzare il deposito della biomassa sulle fibre stesse.

Composizione dei dispositivi di filtrazione con membrane ZeeWeed^®

La membrana  ZeeWeed500D^®  rappresenta il cuore tecnologico del dispositivo di filtrazione nel quale si possono distinguere tre elementi principali:

Il Modulo

Il modulo è l’elemento che accorpa fra loro più membrane ZeeWeed^®, può essere composto da diverse centinaia di fibre di membrane di ultrafiltrazione riunite tra due testate da cui è estratto il permeato. Per le applicazioni a filtrazione diretta (trattamenti terziari o di acque primarie) sono disponibili due modelli caratterizzati semplicemente da una diversa superficie di filtrazione.

La Cassetta

La cassetta è l’elemento nel quale i moduli vengo assemblati i moduli in un numero che varia in funzione della tipologia e del modello scelto. Il permeato estratto dai moduli viene raccolto in una tubazione posta sulla sommità della cassetta e da lì attraverso una connessione dedicata viene avviata al collettore del permeato cui fanno riferimento tutte le cassette appartenenti al medesimo treno. Ogni cassetta è anche provvista di un connettore che serve a distribuire l’aria necessaria allo scouring delle membrane del dispositivo, sotto i moduli, attraverso un preciso numero di diffusori d’aria.

Le cassette sono disponibili in tre differenti modelli di cui due si differenziano per il numero massimo di moduli ZW500D 440 e che possono accogliere e un terzo che può accogliere solo i moduli ZW500D 350.

Tutte le cassette possono essere parzialmente popolate, ovvero essere equipaggiate con un numero di moduli inferiore in funzione delle specifiche richieste di superficie filtrante. Il numero minimo di moduli installabili è pari alla metà del massimo installabile.

Il Treno

Il treno è l’unità modulare del sistema di ultrafiltrazione che accorpa una o più cassette al suo interno. Il singolo treno o i treni posti in parallelo vanno a costituire l’unità di filtrazione a membrane (UFM): a ogni treno sono asserviti una pompa per l’estrazione del permeato e una soffiante dedicata per lo scouring delle membrane. Per eseguire le procedure di recupero/controllo della permeabilità e le attività di  manutenzione, ogni treno deve essere isolabile dal resto dell’impianto. Il sistema per il dosaggio dei reagenti necessari a eseguire le procedure di pulizia delle membrane solitamente è comune ai treni di filtrazione. In funzione delle dimensioni, le vasche di alloggiamento delle cassette possono essere realizzate in opera in calcestruzzo oppure costruite in carpenteria metallica prefabbricata

Da ogni treno in cui sono immerse le membrane si ottengono due flussi distinti: il permeato estratto dalle membrane e un flusso generato della sospensione concentrata da inviare allo scarico al fine di controllare il contenuto di solidi sospesi a contatto con le membrane. Il flusso corrispondente al permeato viene canalizzato verso un collettore principale, avviato ad un serbatoio di accumulo e da qui, per sfioro, scaricato verso il recettore finale o inviato all’uso o riuso/recupero.

2. Sistemi di filtrazione a membrane immerse ZW500D

Pretrattamenti

L’affidabilità e le prestazioni di una unità di filtrazione a membrana (UFM) per trattamenti terziari (TT) o di potabilizzazione (DW) sono fortemente influenzati dai pretrattamenti e dai processi che l’acqua grezza subisce prima di arrivare al comparto di filtrazione.

Per quanto riguarda i requisiti del sistema di grigliatura posto a monte della sezione o riportiamo le indicazioni relative al grado di filtrazione richiesto in funzione del tipo di applicazione:

Tabella 1 – pretrattamenti

È necessario dimensionare e selezionare correttamente il pretrattamento più appropriato da inserire a monte della sezione UF affinché possano essere assicurate le migliori prestazioni dell’UFM e una più lunga vita ai dispositivi di filtrazione. La presenza di un pretrattamento di grigliatura correttamente selezionato assicura una filtrazione meccanica in grado di rimuovere tutto il particolato disperso nel fluido da trattare e che potrebbe danneggiare le membrane; in questo senso il massimo grado di filtrazione ammesso è pari a 0,5 mm. Ovviamente in funzione del profilo idraulico e della capacità dell’impianto si possono prevedere sia sistemi di grigliatura a pressione piuttosto che con contro lavaggio automatico oppure microstacci a tamburo: ciò che è essenziale per la sicurezza del processo di filtrazione è che il 100% della portata influente sia sottoposta a grigliatura e non sia possibile alcun by pass.

Le sostanze inquinanti in forma disciolta o di dimensioni inferiori al poro di filtrazione della membrana posso essere rimosse solo se vengono prima trasformate in composti insolubili o comunque di dimensioni maggiori. I pretrattamenti di tipo chimico che normalmente posso essere utilizzati in testa all’UFM sono i seguenti:

• Coagulazione
• Ossidazione chimica
• Addizione di carboni attivo in polvere

In funzione della qualità dell’alimento in ingresso alla UFM può essere richiesto un pretrattamento chimico di chiari-flocculazione con FeCl₃ o dosaggio di PACl in rapida miscelazione con tempo di contatto di 10 minuti in grado di favorire la formazione dei fiocchi prima del processo di filtrazione; in questo modo non solo si rimuoveranno quegli inquinanti presenti in fase disciolta nell’alimento, ma si ridurrà la probabilità che si instaurino dei fenomeni di fouling ottimizzando le prestazioni delle membrane stesse.

In tutti i casi il pretrattamento chimico dovrà essere ottimizzato esclusivamente per la rimozione dei solidi mediante membrane e non per raggiungere gli standard di qualità richiesti per l’acqua filtrata.

Il processo di filtrazione

Il cuore di ogni impianto di trattamento terziario e di trattamento acque di superficie per la potabilizzazione o l’uso industriale è l’Unità di Filtrazione a Membrane (UFM), che si compone dei dispositivi di filtrazione (membrane e cassette), dei componenti ausiliari (pompe, soffianti, strumenti, valvole), dei collettori-raccordi per la loro interconnessione e infine da un impianto elettrico completo di quadro di gestione e controllo necessario per la gestione e il controllo del processo di filtrazione. L’UFM può essere realizzata all’interno di vasche prefabbricate costruite in opera ad hoc solitamente in c.a.v. mentre se costruite in carpenteria metallica e/o elementi plastici di tipo trasportabili, in questo caso l’UFM comprenderà anche le vasche di alloggiamento delle membrane.

Il processo di filtrazione nelle UFM è costituito da una sequenza di cicli operativi che si susseguono secondo una logia ben definita in funzione del tipo di refluo da trattare e delle prestazioni richieste nel prodotto filtrato. Vediamo quali sono: estrazione del permeato (permeazione), scuotimento-raschiamento con aria a bolle medie delle membrane (areazione), inversione del flusso di filtrazione (contro-lavaggio), deconcentrazione e pulizia membrane (CIP – Cleaning in Place) di mantenimento (MC – Maintenance Cleaning) eseguito periodicamente e di recupero (RC – Recovery Cleaning) eseguito saltuariamente.

Durante il processo di filtrazione i solidi sospesi presenti nel refluo grezzo, trattenuti dalle membrane, via via si accumulano nella vasca di contenimento delle membrane fino al raggiungimento della soglia di concentrazione prestabilita. In funzione della modalità operativa selezionata, la sospensione in vasca membrane può essere mantenuta a una concentrazione di solidi sospesi preimpostata grazie ad uno spurgo continuo pari a una frazione calcolata della portata di acqua grezza alimentata al sistema di filtrazione (Modalità Feed and Bleed) oppure può essere de-concentrata grazie allo svuotamento totale o parziale della vasca di contenimento delle membrane (Concentrazione/De-concentrazione). Con frequenze e durate dipendenti dalle caratteristiche dell’acqua grezza da purificare e dalla resa di filtrazione richiesta, si inverte il flusso di filtrazione (contro-lavaggio) per favorire la rottura del gradiente di concentrazione che si è formato durante il precedente ciclo di estrazione e per favorire il distacco di quella porzione di solidi sospesi che si è adesa ho ha iniziato a compenetrare la membrana. L’azione concomitante dell’aria insufflata alla base del dispositivo di filtrazione genera la turbolenza necessaria per allontanare i solidi distaccati dalla superfice della membrana e per riportare la massa della sospensione acquosa in uno stato di migliore miscelazione rompendo il gradiente di concentrazione formatosi nei pressi del filtro migliorando così la permeabilità della membrana. Questi (il contro-lavaggio e l’aerazione continuo o discontinua a seconda dei casi) cicli di mantenimento della permeabilità sono associati dei cicli di pulizia delle membrane atti a rimuovere le sostanze che, durate la filtrazione, si sono adese (sostanze organiche) alla o sono precipitate (sostanze inorganiche) sulla membrana. Anche in questo caso è previsto lo svuotamento della vasca membrane seguito da un ciclo di contro-lavaggio. Al ciclo di contro-lavaggio, che è potenziato dall’aggiunta di uno specifico reagente atto a rimuovere le sostanze adese (NaOCl) o quelle precipitate (Acido Citrico eventualmente addizionati con un acido inorganico per regolare il pH) si aggiunge una fase di ammollo necessaria affinché la reazione di rimozione dell’agente intasante sia completata.

Infine, con una frequenza molto inferiore rispetto ai cicli di MC, periodicamente si eseguono dei cicli di pulizia delle membrane più aggressivi, i Recovery Cleaning. La procedura di lavaggio è del tutto simile a quella di MC ma è eseguita utilizzando soluzioni di reagenti più concentrate e con tempi di ammollo più lunghi ed è fatta allo scopo di ristabilire i livelli di permeabilità originari del dispositivo.

Le modalità di filtrazione

In funzione della particolare modalità operativa adottata si vanno a definire i criteri di funzionamento con cui la UFM per il trattamento terziario dovrà operare ovvero:

• Deposition
• Feed and Bleed
• Full Drain

La scelta del criterio viene effettuata in funzione del tipo di applicazione e dei corrispondenti flussi netti applicabili, del carico di solidi in arrivo sulle membrane e della percentuale di recupero che si vuole ottenere.

Di seguito riportiamo i tipici valori adottabili per la UFM in funzione delle possibili varietà di refluo da trattare:

Deposition

In questa modalità l’UFM opera in modalità dead-end senza la necessità di aerare le membrane o effettuare contro flussaggi per mantenere in sospensione i solidi presenti nell’alimento. La portata di alimento all’UFM è uguale alla portata di permeato generata durante la filtrazione. Al termine di un ciclo di produzione il treno subisce una sequenza di cicli di contro lavaggio e areazione al termine dei quali la vasca membrana viene svuotata al fine di rimuovere la massa di solidi trattenuta nella vasca e avviarla allo scarico o alla linea di trattamento fanghi.

Feed and Bleed

In questa modalità, alimentazione e spurgo, l’areazione è sempre attiva per tenere i solidi contenuti nell’acqua alimentata in sospensione, cicli di inversione del flusso (contro-lavaggio) sono eseguiti a intervalli regolari minimizzando il loro accumulo nei pressi della superficie della membrana. Una quota costante della soluzione concentrata nell’UFM è spurgata con continuità al fine di mantenere la concentrazione di solidi all’interno della vasca entro i limiti stabiliti. Quindi la portata di alimentazione all’UFM (Feed) è sempre uguale alla somma data dalla portata di permeato estratto e dalla portata di soluzione concentrata spurgata (Bleed).

Full Drain

In questa modalità di lavoro l’UFM è continuamente areata per mantenere i solidi in sospensione e ad intervalli regolari vengono effettuati cicli di contro lavaggio. La portata istantanea di alimento è uguale alla portata di permeato prodotta, alla fine di ogni ciclo di produzione il treno di filtrazione viene contro lavato e areato prima di essere svuotato.

Alimentazione dell’UFM

I treni membrane sono alimentati con continuità durante il processo di filtrazione. Si prevede la sua interruzione, limitatamente a un treno di filtrazione durante l’esecuzione dei cicli di pulizia MC e RC o durante le fasi di deconcentrazione (svuotamento vasca membrane).

Le UFM possono essere configurate sia con sistemi di alimentazione a gravità che con sistemi ad alimentazione forzata:

Alimentazione a gravità: l’acqua emergente dalla sezione di pre-trattamento si trova a una quota superiore rispetto al livello idrico delle vasche membrane che perciò raggiunge per gravità.

Alimentazione forzata: l’acqua emergente dalla sezione di trattamento si trova a una quota inferiore al livello idrico delle vasche membrane. È perciò necessario sollevarla.

Per entrambe le configurazioni solitamente si prevede un canale di alimentazione/distribuzione comune ai treni di filtrazione che costituiscono l’UFM. Tale canale dovrà essere progettato per garantire una distribuzione uniforme ai treni di filtrazione ed eventualmente sufficientemente capace per garantire il loro riempimento alla fine della fase di de-concentrazione. Infine, per migliorare l’idrodinamica nelle vasche membrane, è consigliato configurare il sistema composto da canale di alimentazione/distribuzione e vasche membrane affinché l’acqua da filtrare entri sul fondo delle vasche membrane.

Scarico concentrati e soluzione esauste

Al sistema di alimentazione si affianca quello per l’allontanamento della soluzione/sospensione acquosa concentrata dalle vasche membrane e quella delle soluzioni dei reagenti a fine ciclo di pulizia delle membrane.

Scarico dei concentrati

Per le UFM che operano in Feed and Bleed ci si può affidare a un canale/tubazione di spurgo attraverso il quale si riportata la soluzione concentrata in testa all’impianto o lo si indirizza alla sezione di accumulo e ispessimento fanghi. Tale canale dovrà essere posizionato in maniera tale che le soluzioni/sospensioni concentrate che lo dovranno alimentare possano lasciare le vasche membrane dalla loro sommità. In questo modo, avendo fissato l’ingresso dell’acqua da trattare sul fondo delle vasche membrane, si ottimizza l’idrodinamica all’interno delle vasche membrane stesse. Al circuito per la gestione degli spurghi dovrà poi essere aggiunto un sistema di scarico delle vasche necessario per allontanare i concentrati prima di eseguire le operazioni di MC e RC. Quest’ultimo sistema dovrà essere progettato per consentire di concludere le operazioni di svuotamento in tempi sufficientemente rapidi.

Per le UFM configurate per operare nelle due modalità con processo di filtrazione dead end (Deposition e Full Drain), sarà necessario prevedere uno scarico sul fondo delle vasche membrane attraverso il quale i concentranti verranno inviati alla sezione di accumulo e ispessimento. Ovviamente anche in questo caso tale sistema dovrà essere dimensionato affinché tale operazione di possa concludere in un tempo sufficientemente breve.

Per entrambi i casi, in funzione delle quote della UFM e della sezione di accumulo e ispessimento dei concentrati, il trasferimento da una sezione all’altra potrà avvenire sia per gravità che grazie all’ausilio di pompe dedicate a questo scopo.

Gestione soluzioni esauste

In funzione delle specificità del dato progetto si possono seguire due modi di gestione delle soluzioni esauste:

1. Scarico e neutralizzazione della soluzione esausta in una vasca dedicata.

Miscelazione con l’influente e ricircolo in testa alla sezione di pretrattamento.

Estrazione del permeato

Il ciclo di estrazione del permeato è condotto applicando una leggera depressione all’interno delle fibre cave. È possibile utilizzare sia pompe a lobi reversibili che pompe centrifughe; tuttavia, si consiglia l’utilizzo di pompe a lobi reversibili, poiché è stato provato che questa scelta semplifica notevolmente la struttura dell’impianto e, anche grazie ad una notevole semplificazione dell’automazione, fornisce dei ragguardevoli vantaggi economici.

Ciclo di contro-lavaggio

Come appena accennato, periodicamente sono eseguiti ciclo di inversione del flusso filtrazione della durata di alcuni secondi al fine di mitigare la formazione del gradiente di concentrazione nelle immediate vicinanze della membrana e di rallentare i fenomeni di intasamento (fouling) della membrana stessa.

I solidi che si accumulano sulla superficie delle membrane durante il ripetersi dei cicli di produzione del permeato provocano un aumento della pressione di trans membrane (TMP). In funzione delle modalità di filtrazione adottate, ogni giorno vengono eseguiti diversi cicli di inversione del flusso senza aerazione delle membrane (BACKPULSE) e alcuni cicli di inversione del flusso con aerazione delle membrane (BACKWASH) con il fine di mantenere la TMP entro valori accettabili per tenere sotto controllo i consumi energetici e per ridurre al minimo la frequenza di MC.

Il compito della fase di contro-lavaggio (BW) è quello di distaccare i solidi che si sono accumulati sulla superficie della membrana e disperderli nella vasca di filtrazione riducendo così la TMP di lavoro. In funzione delle specifiche caratteristiche dell’influente da trattare e della modalità operativa selezionata, al ciclo di contro-lavaggio può seguire o meno un ciclo di svuotamento della vasca membrane, mentre ai cicli di Backpulse non segue un ciclo di svuotamento della vasca membrane.

Aerazione membrane

Lo scopo primario dell’erogazione dell’aria nelle vasche di alloggiamento delle membrane è il controllo dello strato di polarizzazione, o meglio del gradiente di concentrazione dei solidi, che si viene a creare sulla superficie di filtrazione durante il processo di estrazione del permeato.

Cicli di pulizia delle membrane

In funzione dell’efficienza della sezione degli stadi di trattamento precedenti e delle caratteristiche dell’acqua reflua influente (alcalinità, durezza, TOC, carica batterica etc.) si devono fronteggiare fenomeni di intasamento organico (fouling) e di intasamento inorganico (incrostazioni, o scaling) delle membrane.

Per fronteggiare i problemi legati al fouling naturale delle membrane sono state definite due diverse strategie: la prima atta a limitare i fenomeni di intasamento della membrana e a contenere la conseguente perdita di permeabilità delle membrane, la seconda necessaria quando la prima non è più sufficiente ed è rivolta a ristabilire la permeabilità iniziale delle membrane.

Rispettivamente queste due procedure sono chiamate: Pulizia di mantenimento o Maintenance Cleaning MC. É la procedura di contro lavaggio potenziato chimicamente (CEB) e si esegue lasciando le cassette immerse in una soluzione di lavaggio a bassa concentrazione preparata dosando il reattivo nel circuito CIP e scaricando la soluzione nella vasca di alloggiamento delle membrane. In genere, prima di un MC viene sempre eseguito un ciclo di contro-lavaggio con acqua permeata mentre dopo un MC, prima di far tornare il treno di filtrazione in modalità produzione, viene eseguito un ciclo di risciacquo al fine di eliminare ogni traccia di prodotto chimico.

I lavaggi MC vengono eseguiti utilizzando il permeato stoccato in un opportuno serbatoio (CIP Tank) dal quale una pompa appositamente selezionata preleva la soluzione e provvede a ricircolarla per il tempo definito dalla procedura.

Una sintesi delle modalità operative della procedura MC è riportata nella tabella seguente:

Pulizia di ripristino o Recovery Cleaning RC. È una procedura di pulizia eseguita con prodotti chimici e adottata per ripristinare la permeabilità delle membrane. Dal punto di vista operativo è simile a quella di MC ma viene condotta mettendo a contatto le fibre con soluzioni a concentrazioni più elevate e per tempi più lunghi. Anche in questo caso prima di un RC viene eseguito un contro-lavaggio con acqua permeata mentre dopo un RC, prima di far tornare il treno di filtrazione in modalità produzione, viene eseguito un ciclo di risciacquo per eliminare ogni traccia di prodotto chimico.

Una sintesi delle modalità operative della procedura RC è riportata nella tabella seguente: