Bioreattori a membrana
La tecnologia MBR ha attirato notevoli attenzioni, soprattutto per quanto riguarda il trattamento delle acque reflue, in quanto abbinano all’alta qualità dell’effluente prodotto un minore ingombro planimetrico. Tuttavia, l’applicazione su larga scala dei bioreattori a membrane è ostacolata da diversi problemi tra cui quello principale riguardante la formazione del fouling di membrana che causa una diminuzione del flusso di permeato; di conseguenza, i costi operativi già molto elevati dei processi MBR sono aumentati con la necessità di pulire o sostituire le membrane, il cui costo è già molto elevato. Per questo motivo sono state introdotte diverse tecniche e strategie, per la mitigazione del fouling \cite{Liu_2009}. Considerando che le tipologie di membrane, le caratteristiche e le dimensioni dei pori sono dei parametri fondamentali per il controllo del fouling e che, sia i costi capitali che di gestione degli impianti MBR sono elevati e devono essere ridotti drasticamente al fine di aumentare la loro competitività nel campo del trattamento delle acque reflue, negli ultimi anni, l’attenzione è stata rivolta verso l’utilizzo di membrane a basso costo (tessuti filtranti, mesh) ed autoformanti.
Membrane dinamiche autoformanti
In alternativa ai sistemi MBR convenzionali, è stata sviluppata una nuova tecnologia, che prevede la formazione e l’utilizzo delle membrane dinamiche auto-formanti all’interno del bioreattore (self-forming dynamic membrane bioreactor, SF-DMBR); "i bioreattori a membrane autoformanti presentano diversi vantaggi quali: facile controllo del fouling, bassi costi dei materiali utilizzati per le membrane, alto flusso di permeato, basso fabbisogno di energia ed elevata capacità di trattamento" \cite{Xiong_2014}.
Le membrane dinamiche possono essere classificate in due gruppi:
- Membrane autoformanti (self-forming dynamic membrane SFDM);
- Membrane pre-rivestite (precoated dynamic membrane PDM);
Le membrane dinamiche autoformanti sono generate dalle sostanze presenti nella miscela liquida che durante la filtrazione si depositano sulla superficie di supporto.
Le membrane pre-rivestite, denominate anche membrane FIP (formed in place), sono generate facendo filtrare sulla superficie di supporto, generalmente un materiale poroso, una soluzione di una o più componenti colloidali specifici; le membrane dinamiche pre-rivestite, a loro volta sono suddivise in due gruppi: membrane additive singole e composite \cite{Ye_2006}. Le prime sono formate da un solo componente o reagente e in un’unica fase mentre le membrane composite sono prodotte da un processo a più fasi. In un bioreattore a membrana dinamica DMBR (dynamic membrane reactor) si va a sostituire la membrana di separazione con una membrana dinamica autoformante. La formazione della membrana dinamica è un processo complesso che include molti meccanismi fisici, chimici e biologici come il deposito di particelle, il blocco dei pori e la formazione di uno strato di “cake” \cite{Bae_2005}. La membrana viene divisa in tre fasi (Figura 1):
- strato di substrato: costituito da particelle con diametro di 0,1 mm;
- strato di separazione: costituito da particelle di fango la cui dimensione è ridotta dall’interno verso l’esterno e, la capacità di separazione di questo stato si può paragonare alla micro-membrana;
- strato di incrostazione costituito da particella di fango, soluti e colloidi.