Modellazione dei Processi Biologici nei Bioreattori a membrana

Le norme più recentemente emanate, a livello nazionale ed internazionale, in materia di salvaguardia dell’ambiente idrico, impongono, come è noto, limiti molto più restrittivi per lo scarico delle acque reflue depurate nei corpi idrici ricettori rispetto a quanto previsto in precedenza, ed invitano al recupero e riuso delle acque reflue depurate: ciò comporta la necessità di migliorare le rese depurative degli impianti di depurazione, implementando processi di rimozione degli inquinanti sempre più spinti e completi. A fronte di tale esigenza, tuttavia, sussistono una serie di problemi complessi, quali quelli inerenti la localizzazione di nuovi impianti o il loro up-grading, a causa del notevole impatto e ingombro che i tradizionali sistemi depurativi comportano. Tali ragioni giustificano il sempre crescente interesse verso processi innovativi che, a fronte di più elevate efficienze di rimozione, siano anche in grado di offrire consistenti risparmi in termini di ingombro nonché benefici in termini di impatto ambientale. In tal senso una delle tecnologie che maggiormente permette di soddisfare i requisiti sopra indicati è quella dei Bioreattori a Membrana. Nell’ambito del trattamento biologico delle acque reflue si parla di bioreattore a membrana, o MBR (Membrane BioReactor), quando si utilizzano delle membrane a valle di un processo a colture sospese (fanghi attivi), per separare la biomassa dall’acqua (Metcalf & Eddy, 2006). L’idea di accoppiare le membrane con i bioreattori è nata alla fine degli anni ‘60, ma è solo negli ultimi 20 anni che il sistema ha assunto un concreto interesse applicativo, grazie all’adozione di configurazioni impiantistiche più convenienti dal punto di vista energetico rispetto a quelle originariamente proposte (Yamamoto et al., 1989). La diffusione dei sistemi MBR è pienamente giustificabile considerando l’elevata qualità dell’effluente in termini di solidi disciolti e sospesi, che rende gli impianti MBR applicabili anche quando sia richiesto il raggiungimento di concentrazioni compatibili con il riutilizzo industriale o irriguo (Krauth e Staab, 1993; Levinsky e Galil, 2007; Wisniewski 2007). A ciò si aggiungono le dimensioni ridotte delle unità di processo (Knoblock et al., 1994; Rosenberger et al., 2002), ed il fatto che, in termini gestionali, i sistemi MBR presentano una serie di vantaggi rispetto ai sistemi a fanghi attivi tradizionali (CAS), poiché permettono di svincolarsi dalla necessità di garantire la sedimentabilità del fango, eliminando così i problemi connessi con il delicato stadio di separazione solido-liquido che si attua nei sedimentatori finali. A fronte degli accertati vantaggi citati precedentemente, ancora oggi rimangono delle incertezze relativamente ad alcuni aspetti non sufficientemente approfonditi, a causa della rapidità con cui questa tecnologia sta sviluppandosi. La principale limitazione operativa alla diffusione dei processi MBR è rappresentata dalla tendenza delle membrane a sporcarsi, con perdita progressiva di permeabilità. L'aumento del fouling durante l’esercizio degli impianti MBR impone, quindi, l’esigenza di applicare specifici protocolli di lavaggio chimico che però, se eseguiti troppo di frequente, oltre che causare maggiori oneri gestionali, contribuiscono a diminuire la vita utile delle membrane (Katsoufidou et al., 2005; Jiang et al., 2003). La piena applicabilità dei bioreattori a membrana, naturalmente, non può prescindere dallo sviluppo di un modello matematico in grado di simulare i complessi processi fisici e biochimici che hanno luogo nei diversi comparti dell’impianto, portando in conto le specificità di un sistema MBR rispetto ai tradizionali sistemi a biomassa sospese. Oggetto della presente relazione è proprio la descrizione di un modello matematico che si ritiene possa essere proficuamente adoperato per la progettazione e la gestione degli impianti MBR. Alla descrizione del modello si premettono alcune considerazione generali sui bioreattori a membrane, per meglio inquadrarne il funzionamento.