MBR vs MBBR: il “paradosso MLSS” e il suo impatto sull’impronta degli impianti di trattamento

Nel settore avanzato del trattamento delle acque reflue, i bioreattori a membrana (MBR) e i reattori a biofilm a letto mobile (MBBR) sono due delle tecnologie più importanti. Tuttavia, quando ingegneri e progettisti confrontano i loro parametri fondamentali, nello specifico Solidi sospesi di liquori misti (MLSS) – spesso incontrano un “paradosso” controintuitivo.

I sistemi MBR tipicamente funzionano a concentrazioni MLSS molto elevate (8.000–12.000 mg/L), mentre i sistemi MBBR sembrano funzionare a concentrazioni molto più basse in fase liquida.

Questo articolo decodifica il motivo per cui esiste questa differenza, esplora il passaggio fondamentale dalla crescita sospesa a quella attaccata e utilizza un 500 m ³ /giorno caso di studio per dimostrare come queste differenze biologiche influiscono direttamente sull'impronta fisica e sulla disposizione di un impianto di trattamento.

Parte 1: Decodificare la differenza biologica (il “paradosso MLSS”)

La causa principale della disparità MLSS risiede nel modo fondamentale in cui queste due tecnologie ospitano la loro forza lavoro microbica.

1. MBR: MLSS elevato grazie alla ritenzione fisica

Il principio fondamentale: “Esce solo l’acqua, i fanghi restano”.

I sistemi MBR utilizzano membrane con dimensioni dei pori estremamente piccole (tipicamente intorno a 0,04,0 mm). µ m) per la separazione solido-liquido. La membrana funge da barriera perfetta; l'acqua pulita permea, ma i batteri e i fiocchi di fango vengono completamente trattenuti all'interno del bioreattore.

Poiché i fanghi non possono fuoriuscire, gli operatori possono “coltivare” concentrazioni estremamente elevate di fanghi attivi.

• Analogia: Pensa a un serbatoio MBR come a piazza affollata . Per gestire un carico di lavoro più elevato (inquinanti), gli ingegneri stipano con la forza da 3 a 4 volte più lavoratori (batteri) di quanto un sistema convenzionale potrebbe contenere.

2. MBBR: MLSS a bassa liquidità tramite crescita attaccata

Il principio fondamentale: la forza lavoro è nelle “case” (media), non nelle strade (acqua).

La tecnologia MBBR si basa su Processo di crescita allegato . Gli agenti di trattamento primari sono microrganismi che si attaccano alle superfici protette dei supporti di plastica sospesi (supporti), formando un robusto biofilm .

Se si misurano i solidi sospesi nella fase liquida di un serbatoio MBBR, l'MLSS è generalmente basso (2.000–4.000 mg/L), simile a quello dei fanghi attivi convenzionali. Tuttavia, questo è fuorviante. Il vero potere di trattamento del sistema risiede nella biomassa collegata ai media. Quando si tiene conto di questo biofilm, il “Biomassa equivalente” di un MBBR è molto elevato, spesso paragonabile a un MBR.

• Analogia: MBBR riguarda la costruzione ad alta densità alloggiamento per i batteri. L’acqua nelle “strade” è relativamente limpida perché la maggior parte della popolazione lavora all’interno delle proprie “case”.

Riepilogo delle differenze biologiche

Questi approcci distinti dettano diversi focus operativi:

Parte 2: Dalla biologia all'impronta (A 500 m ³ Caso di studio)

Come si traducono queste differenze biologiche nella realtà fisica? I risultati sono spesso sorprendenti.

Per illustrare ciò, abbiamo simulato un progetto comparativo per un impianto di trattamento delle acque reflue municipali con una capacità di 500 tonnellate/giorno (500 m ³ /d) .

1. Risultati del confronto dei calcoli

Come mostrato nella tabella seguente, il volume civile totale richiesto per i due sistemi differisce in modo significativo, principalmente a causa della necessità di chiarimenti.

2. Analizzare le differenze di layout

MBR: mettere la pianta in una “scatola”

L'MBR raggiunge un'estrema compattezza integrando la separazione nel serbatoio biologico.

• Nessun chiarificatore secondario: I chiarificatori tradizionali occupano una superficie significativa. L'MBR essenzialmente "taglia" l'intera fase del processo utilizzando membrane.
• Il compromesso: Mentre le opere civili sono ridotte al minimo, l’MBR richiede investimenti significativi in apparecchiature elettromeccaniche, tra cui skid a membrana, complesse pompe di controlavaggio, sistemi di pulizia chimica (CIP) e compressori d’aria ad alta potenza alloggiati in una grande sala macchine.

MBBR: un “cuore” potente con “arti” convenzionali

MBBR utilizza un reattore biologico ad alta efficienza seguito dalla separazione tradizionale.

• Reattore efficiente: Poiché il biofilm sul mezzo contiene una grande quantità di biomassa attiva, l'efficienza di rimozione del BOD è molto elevata, risultando in un bioreattore compatto (solo 60 m ³ in questo esempio).
• La necessità di stabilirsi: MBBR è un processo continuo in cui il biofilm invecchiato “si libera” naturalmente dei materiali nell'acqua. Pertanto, l'effluente deve passare attraverso un chiarificatore ad alta efficienza (come un Tube Settler o DAF) per separare questi solidi; in caso contrario, l'effluente finale non soddisferà gli standard di scarico per i solidi sospesi.

Conclusione e guida alla selezione

La scelta tra MBR e MBBR non riguarda quale tecnologia sia “migliore”, ma quale insieme di compromessi si adatta meglio ai vincoli specifici del progetto.

Scegli MBR quando:

• Lo spazio è il vincolo principale: Ideale per impianti urbani sotterranei, scantinati di hotel o ospedali dove i prezzi dei terreni sono esorbitanti.
• È necessario un riutilizzo di alta qualità: L'effluente è ultrafiltrato, con SS vicino allo zero, rendendolo adatto al riutilizzo diretto non potabile.

Scegli MBBR quando:

• La semplicità operativa è fondamentale: Il cliente preferisce un sistema robusto che non richieda il monitoraggio quotidiano della pressione transmembrana o dei regimi di pulizia della membrana.
• È un progetto di retrofit: Spesso i mezzi possono essere semplicemente aggiunti ai serbatoi di aerazione esistenti per aumentare la capacità senza grandi opere civili.
• La qualità degli influenti fluttua: La struttura del biofilm rende l'MBBR altamente resistente ai carichi d'urto, comuni nelle applicazioni industriali.

Domande frequenti: selezione e funzionamento di MBR e MBBR

1. Economia: quale sistema è più conveniente?

Dipende da come misuri i costi (capitale vs. operativo):

• CAPEX (costo iniziale): MBBR è generalmente più economico. Le membrane MBR sono prodotti di precisione costosi. Tuttavia, se i prezzi dei terreni sono estremamente elevati, i risparmi sulle opere civili derivanti dall’MBR potrebbero compensare il costo delle attrezzature.
• OPEX (costo di esercizio): MBBR è significativamente più economico. L'MBR richiede un elevato consumo di energia per il lavaggio con aria (per mantenere pulite le membrane) e normali detergenti chimici. MBBR ha richieste energetiche inferiori e nessun costo chimico per la fase biologica.

2. Durata: quanto spesso devo sostituire i componenti principali?

• Membrane MBR: Tipicamente Da 5 a 8 anni a seconda della marca e della qualità dell'acqua. La sostituzione delle membrane rappresenta una spesa in conto capitale importante.
• Supporti MBBR: Tipicamente 15-20 anni . Il supporto in plastica HDPE è estremamente durevole e raramente necessita di sostituzione, solo occasionali “rabboccature” se alcuni vengono persi.

3. Manutenzione: quale è più difficile da gestire?

• MBR: Richiede Operazione qualificata . Gli operatori devono monitorare la pressione transmembrana (TMP), gestire il controlavaggio automatico ed eseguire la pulizia Chemical In-Place (CIP) con acidi/cloro. Se la membrana si intasa la pianta si ferma.
• MBBR: Richiede Manutenzione ridotta . È un processo di autoregolamentazione. La manutenzione principale prevede il controllo degli schermi di ritenzione (per garantire che i fluidi non fuoriescano) e del sistema di aerazione. È molto più indulgente nei confronti degli errori dell'operatore.

4. Pretrattamento: ho bisogno di schermi fini?

• MBR: SÌ, critico. Sono necessari schermi molto fini (tamburi da 1 mm - 2 mm) per evitare che capelli e detriti danneggino o intasino le membrane. Uno scarso pretrattamento uccide gli MBR.
• MBBR: Norma. Solitamente sono sufficienti vagli standard grossolani o medi (3 mm - 6 mm), principalmente per evitare l'intasamento delle griglie di ritenzione.

5. Retrofitting: posso aggiornare il mio serbatoio esistente?

• MBBR: Ottimo candidato. Spesso è possibile semplicemente scaricare il materiale in un serbatoio di aerazione esistente (con un rapporto di riempimento fino al 60-70%) per aumentarne la capacità di trattamento senza costruire nuovi serbatoi.
• MBR: Difficile. La conversione di un serbatoio standard in MBR richiede solitamente modifiche civili significative per l'installazione di skid a membrana e la costruzione di una nuova stanza per pompe e soffianti.

6. Rimozione dell'azoto: qual è la soluzione migliore?

Entrambi possono ottenere un'elevata rimozione dell'azoto, ma MBBR è spesso preferito per la denitrificazione specializzata. La struttura del biofilm consente la presenza di “strati anossici” in profondità all’interno del biofilm anche in un serbatoio aerato (Nitrificazione e Denitrificazione Simultanea - SND), che può essere molto efficiente.

7. Clima freddo: come si comportano in inverno?

• MBBR tende ad essere più resistente in acqua fredda. Il biofilm fornisce una "casa protettiva" per i batteri, rendendoli meno suscettibili alle cadute di temperatura rispetto ai fanghi sospesi.