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\begin{document}

\title{Impianto di depurazione delle acque reflue: progettazione di impianti
con bioreattori a membrane (MBR) e confronto con processi convenzionali}



\author[1]{FABIO PASTORE}%
\affil[1]{Affiliation not available}%


\vspace{-1em}



  
  \date{May 25, 2024}


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\maketitle
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\selectlanguage{english}
\begin{abstract}
In considerazione della sempre minore disponibilit\selectlanguage{ngerman}à di acque di buona
qualità, un tema, oggetto di attenzione sia scientifica che legislativa,
è la possibilità di riutilizzo delle acque reflue. Obiettivo del
riutilizzo è la limitazione del prelievo delle acque superficiali e
sotterranee, e la riduzione degli scarichi sui corpi idrici recettori.
Il trattamento biologico rappresenta la fase più importante del ciclo
depurativo delle acque reflue. I naturali processi biologici sono
sfruttati all'interno degli impianti a fanghi attivi (CAS). Gli impianti
di depurazione MBR si sono affermati nel panorama nazionale e
internazionale come una consolidata alternativa ai convenzionali
impianti a fanghi attivi, in particolare laddove sia necessario
contenere l'ingombro planimetrico e/o garantire un effluente di qualità
elevata. L'attività di tirocinio, svolta presso il Laboratorio di
Ingegneria Sanitaria Ambientale (SEED) dell'Università degli Studi di
Salerno, è stata finalizzata in una prima fase allo studio approfondito
e al confronto tra le tipologie di trattamento convenzionali e
innovative e, nella seconda fase, alla progettazione di modelli virtuali
tridimensionali che rappresentano impianti innovativi, basati
sull'utilizzo della tecnologia MBR.%
\end{abstract}\selectlanguage{ngerman}%



\sloppy






\section*{Introduction}

{\label{874460}}

Per il trattamento delle acque reflue solitamente vengono impiegati gli
impianti convenzionali a fanghi attivi, i quali si basano su un processo
di degradazione biologica della biomassa. Purtroppo, questi impianti di
trattamento non sempre riescono a garantire un'elevata efficienza di
depurazione. Sono presenti limiti di qualit\selectlanguage{ngerman}à delle acque allo scarico
imposti dalla Direttiva europea sulle acque, limiti recepiti dalla norma
italiana con il D.lgs. 152/2006. Per fare in modo di raggiungere
concentrazioni allo scarico sempre più ridotte, negli ultimi anni, il
mondo della ricerca nel campo dell`ingegneria ambientale ha lavorato
sullo sviluppo di tecnologie avanzate di trattamento attraverso le quali
implementare processi di rimozione molto spinti con elevati rendimenti.
Tra queste si collocano i bioreattori a membrana definiti con l'acronimo
MBR, i quali sono caratterizzati dalla combinazione dei processi di
degradazione biologica a fanghi attivi e della filtrazione su membrane.
~Nel campo civile i sistemi MBR offrono una serie di vantaggi e
svantaggi rispetto ai sistemi tradizionali. Gli MBR consentono effluenti
di elevata qualità sotto tutti gli aspetti. Inoltre, la presenza di
batteri, tra cui quelli patogeni, e virus nell'effluente è drasticamente
ridotta, eliminando, così, la necessità della disinfezione e riducendo,
quindi, i problemi di formazione di sottoprodotti della disinfezione. La
sostituzione del sedimentatore con un comparto di filtrazione a membrane
permette una notevole riduzione dell'ingombro planimetrico dell'impianto
di depurazione. La maggiore concentrazione della biomassa permette di
mantenere un'elevata età dei fanghi e quindi una produzione minore di
fanghi di supero, con conseguente riduzione dei costi per lo smaltimento
~\hyperref[csl:1]{(``{Membrane             Bioreactors for Wastewater Treatment}'', 2000)} . La trasformazione dei reattori biologici
tradizionali in bioreattori a membrana risulta particolarmente
vantaggiosa come intervento di adeguamento degli impianti di depurazione
esistenti, in conseguenza di incrementi di carichi o di necessità di
raggiungimento di standard di qualità idonei a consentire il riutilizzo
dell'effluente depurato, senza dover intervenire drasticamente sulle
strutture. A fronte dei vantaggi va tuttavia detto che questa tecnologia
presenta alcuni svantaggi, quali: Il fouling, elevati costi di
investimento e elevati costi di gestione e manutenzione, dovuti
principalmente dal rilevante impiego energetico connesso alle esigenze
di applicare il gradiente di pressione necessario alla filtrazione
nonché di insufflare aria per il controllo~del
fouling~\hyperref[csl:2]{(Belgiorno, 2013)}.

\section*{Il fouling e i suoi
precursori}

{\label{507127}}

Il fouling risulta essere il principale svantaggio della tecnologia MBR
in quanto determina una perdita di efficienza della membrana. Si
definisce pore blocking, quando le particelle hanno dimensioni inferiori
a quelle dei pori e ne provocano l'occlusione parziale o totale. Si
definisce cake deposition la formazione di uno strato di particelle
caratterizzate da dimensioni più grandi di quella dei pori della
membrana~\hyperref[csl:3]{(Hongyu Li, 2010)}. Il fouling può essere classificato in
fouling reversibile se rimosso con la pulizia fisica, irreversibile se
rimosso solo tramite la pulizia chimica e irrecuperabile se si sviluppa
in tempi più lunghi e non può essere rimosso da alcun tipo di
trattamento, motivo per il quale in seguito all'accumulo di questa
aliquota nel tempo, è necessario provvedere alla sostituzione della
membrana stessa~\hyperref[csl:4]{(``{Membrane Bioreactor (MBR) as an AdvancedWastewater Treatment Technology}'', 2008)}. Il fouling inoltre presenta una
serie di impatti negativi come: la riduzione del flusso di permeato,
l'aumento della pressione di transmembrana (TMP), gli elevati consumi
energetici dovuti all'insufflazione di aria che ne rallenta il processo
e frequenti pulizie della membrana fin quando non è necessaria la
sostituzione della membrana stessa~\hyperref[csl:5]{(``{Membrane fouling in membrane bioreactors for wastewater treatment, Environ.}'', 2002)}. I principali
precursori del fouling sono sostanze viscose definite Sostanze
Polimeriche Extracellulari (EPS), se legate ai fiocchi, e Prodotti
Microbici Solubili (SMP), se liberamente presenti nel
surnatante~\hyperref[csl:6]{(Wang X.M., 2008)}. Altro gruppo, è quello delle Particelle
Esopolimeriche Trasparenti (TEP)~\hyperref[csl:7]{(Tom Berman, 2011)}. Le EPS e gli SMP si
compongono di polisaccaridi, proteine, lipidi, acidi nucleici e altri
composti polimerici, che possono provenire dalla lisi cellulare, da
metaboliti microbici o componenti dei reflui non
metabolizzati~\hyperref[csl:8]{(Flemming H.C., 2001)}. I polisaccaridi e le proteine sono
considerati le principali frazioni responsabili della formazione del
fouling~\hyperref[csl:9]{(``{The importance of liquid phase analyses to understand fouling in membrane assisted activated sludge processes-six case studies of different European research groups}'', 2005)}. Per quanto riguarda le TEP, sono particelle
trasparenti e che mostrano le caratteristiche dei gel. Le TEP non solo
contengono polisaccaridi, ma possono anche includere proteine, lipidi,
aminoacidi, elementi traccia e metalli pesanti. Ciò suggerisce che il
TEP può essere una fonte di nutrienti e siti di attaccamento per i
microrganismi. Si tratta di grandi particelle organiche che si trovano
solo nell'acqua di mare, nell'acqua di superficie e, secondo recenti
studi, nelle acque reflue~\hyperref[csl:10]{(Passow U., 1995)}.~~

\section*{Attività sperimentale~}

{\label{990205}}

Gli obiettivi dell'attività sperimentale riguardano la modellazione
virtuale tridimensionale di un impianto operante in modalità
convenzionale a fanghi attivi (CAS) e un impianto con tecnologia
innovativa tramite processi MBR. Entrambi gli impianti sono dimensionati
per 6500 abitanti equivalenti. La modellazione è stata ultimata con la
realizzazione dei prototipi mediante stampa 3D. La linea di impianto MBR
è costituita da una sezione a fanghi attivi ad aerazione prolungata
prevedente il trattamento con filtrazione finale mediante fibre cave. La
superficie a disposizione si suddivide in zone cui corrispondono diversi
stadi biologici: Predenitrificazione, Ossidazione-Nitrificazione e
Filtrazione finale a membrana. La predenitrificazione consiste nella
denitrificazione con zona anossica in testa allo stadio di
ossidazione-nitrificazione. A monte dello stadio di denitrificazione
sarà fatto confluire sia un opportuno flusso di fango di ricircolo, sia
un definito flusso di miscela aerata prelevati all'uscita dello stadio
di filtrazione finale a membrane. In questa fase avviene l'assorbimento
dell'ossigeno prelevato dai nitrati, che verranno prodotti nello stadio
di ossidazione-nitrificazione, da parte di microrganismi eterotrofi
facoltativi quali batteri tipo Pseudomonas, con produzione di azoto
molecolare. La fase di ossidazione-nitrificazione prevede la
metabolizzazione del BOD5 e del COD da parte dei microrganismi
eterotrofi con produzione di anidride carbonica ed acqua, l'ossidazione
dello ione ammonio a nitrito da parte dei batteri Nitrosomonas e
l'ossidazione del nitrito a nitrato da parte dei batteri Nitrobacter.
Avendo previsto la tipologia ad aerazione prolungata, il fango è
soggetto a tempi di aerazione particolarmente lunghi da subisce una
stabilizzazione analoga a quella ottenibile con la digestione aerobica
separata. La vasca di filtrazione finale a membrana è costituita da due
linee in parallelo. Ogni linea è formata da un comparto all'interno del
quale saranno alloggiati tre moduli di filtrazione a membrane del tipo a
fibre cave per un totale di sei moduli. Il sistema di aerazione del
modulo a membrana genera un flusso d'aria verso l'alto che serve per
prevenire il fouling o intasamento della membrana. Lo spurgo dei fanghi
di supero deve essere effettuato dal fondo delle vasche a membrana in
modo che tramite la stessa linea di supero possa essere eseguito anche
il drenaggio delle vasche in occasione delle procedure di lavaggio ad
immersione. ~\selectlanguage{english}
\begin{figure}[H]
\begin{center}
\includegraphics[width=0.70\columnwidth]{figures/sezione-mbr-2/sezione-mbr-2}
\caption{{Sezione impianto MBR
{\label{552610}}%
}}
\end{center}
\end{figure}

Nel trattamento convenzionale a fanghi attivi il fango viene separato in
componente solida e liquida nella vasca di sedimentazione, processo che
prende il nome di chiarificazione. ~Il sedimentatore presenta un tubo
direzionato verso l'alto, posto al centro della vasca, da cui il liquame
entra in vasca. Il tubo \selectlanguage{ngerman}è contornato da un deflettore cilindrico che
spinge il flusso verso il basso per facilitare la sedimentazione. Sul
fondo in corrispondenza del centro, troveremo la zona di raccolta. Il
fondo del sedimentatore presenta una pendenza verso il centro per
consentire al fango sedimentato di confluire nella zona di raccolta. Lo
stramazzo è presente perimetralmente alla vasca e i sedimenti sono
rimossi con un eiettore idrostatico che segue l'andamento del fondo.\selectlanguage{english}
\begin{figure}[H]
\begin{center}
\includegraphics[width=0.70\columnwidth]{figures/sezione-cas-2/sezione-cas-2}
\caption{{Sezione impianto convenzionale a fanghi attivi (CAS)
{\label{906794}}%
}}
\end{center}
\end{figure}

I file di modellazione 3D realizzati con Solidworks sono stati divisi in
diverse parti per procedere alla realizzazione dei gcode. Il software
ultimaker cura, utilizzato per la generazione dei gcode, ha permesso di
ottimizzare i modelli in modo da ottenere una maggiore precisione del
dettaglio. La scala di realizzazione adottata per i prototipi \selectlanguage{ngerman}è di 1:50,
necessaria per una corretta visualizzazione degli elementi interni alle
vasche. Il materiale utilizzato per la stampa è l'Acido Polilattico,
meglio noto come PLA. Questa bioplastica è biodegradabile e compostabile
quindi si degrada rapidamente nel terreno una volta raggiunte le
condizioni di temperatura e umidità necessarie.\selectlanguage{english}
\begin{figure}[H]
\begin{center}
\includegraphics[width=0.70\columnwidth]{figures/IMG-E4444-min/IMG-E4444-min}
\caption{{Prototipi realizzati mediante spampa 3
{\label{969288}}%
}}
\end{center}
\end{figure}

\section*{Conclusioni}

{\label{687807}}

In conclusione, \selectlanguage{ngerman}è possibile affermare che gli impianti MBR rappresentano
una promettente tecnologia, per una depurazione che miri ad uno sviluppo
sostenibile a salvaguardia dell'uomo e dell'ambiente. La tecnologia MBR
a differenza degli CAS consente di ottenere una migliore qualità
dell'effluente, minore produzione di fango e riduzione delle superfici
occupate. Inoltre, l'installazione degli impianti MBR risulta
conveniente per applicazioni depurative dove lo spazio disponibile è
poco e dove il potenziamento dell'impianto si rende necessario per
adeguamenti normativi. La modellazione degli impianti MBR e CAS ha
permesso di osservare immediatamente il minore ingombro planimetrico
dell'impianto MBR rispetto al CAS.~Inoltre, possiamo osservare che
l'adozione di software di progettazione avanzata come Solidworks e di
software per la realizzazione di stampe 3D come Ultimaker cura,
contribuiscono ad un miglioramento nell'ambito della progettazione di
opere civili e di trattamento sanitario-ambientale.

\selectlanguage{english}
\FloatBarrier
\section*{References}\sloppy
\phantomsection
\label{csl:1}(2000). \textit{IWA Publishing}, \textit{Water Sci Technol 41 (1): 197-204.}.

\phantomsection
\label{csl:2}\textit{{Bioreattori a membrane per la depurazione delle acque reflue}}. (2013).

\phantomsection
\label{csl:3}{Membrane Fouling and Cleaning in Food and Bioprocessing}. (2010). \textit{Membrane Technology}, \textit{Butterworth Heinemann}.

\phantomsection
\label{csl:4}(2008). \textit{Hdb Env Chem}, \textit{Vol. 5, Part S/2: 37–101.}.

\phantomsection
\label{csl:5}(2002). \textit{Eng. Sci.}, \textit{128 (11), 1018–1029.}.

\phantomsection
\label{csl:6}{Accumulation of biopolymer clusters in a submerged membrane bioreactor and its effect on membrane fouling}. (2008). \textit{Water Res.}, \textit{42  855–862.}.

\phantomsection
\label{csl:7}{Transparent exopolymer particles (TEP): A critical factor in aquatic biofilm initiation and fouling on filtration membranes}. (2011). \textit{Elsevier}, \textit{Desalination 276 (2011) 184–190}.

\phantomsection
\label{csl:8}{Relevance of microbial extracellular polymeric substances (EPSs)}. (2001). \textit{Iwa Publishing}, \textit{Part I. Structural and ecological aspects, Water Sci. Technol. 43 (2001) 1–8.}.

\phantomsection
\label{csl:9}(2005). \textit{Elsevier}, \textit{J. Membr. Sci. 296 (2005) 113–126.}.

\phantomsection
\label{csl:10}{A dye-binding assay for the spectrophotometric measurement of transparent exopolymer particles (TEP)}. (1995). \textit{Aslo}, \textit{Limnol. Oceanogr. 40 (7) 1326–1335.}.

\end{document}

