Università degli Studi di Salerno
Università degli Studi di Napoli Federico II
Università degli Studi di Palermo
Corso di Aggiornamento
BioMAc 2013Bioreattori a Membrane (MBR) per la depurazione del le Acque
La cinetica delle biomasse nei reattori a membrane
Vanni Esposito, Università di Cassino e del Lazio M eridionale
Palermo, 4-5 Luglio, 2013
� Introduzione� Cinetiche biologiche
� Modellazione delle fasi biologiche� Modelli tradizionali
Sommario
� Modelli tradizionali� Modelli per impianti MBR
� Impianto pilota� Descrizione dell’impianto� Illustrazione dei risultati
� Calibrazione del modello� Determinazione dei parametri
� Verifica dei valori con prove respirometriche
� Conclusioni
BioMAc 2013
Cinetiche biologiche (crescita della biomassa)
dove:x = concentrazione di biomassa (M L-3);
( )xbx*bx*decaydt
dxgrowth
dt
dx
dt
dx −=−=−= µµ
µ = velocità di crescita specifica della biomassa (T-1);b = velocità di decadimento specifica della biomassa (T-1).
se la velocità di crescita specifica della biomassa è limitata solo dalla disponibilità del substrato:
(Monod)SK
S
+= µµ ˆ
where:= velocità massima specifica di crescita della biomassa (T-1);
S = concentrazione di substrato (M L-3); Ks = costante di semi-saturazione = conc. di substrato per cui: = (M L-3).
(Monod)
µ̂
2/µ̂µ̂
SKs +
BioMAc 2013
Cinetiche biologiche (degradazione del substrato)
dove:Y = coefficiente di resa cellulare
growthdt
dx
Y
1
dt
dS −=
Y = coefficiente di resa cellularee quindi:
(Michaelis-Menten)
where:= massima velocità specifica di rimozione del substrato (T-1)
in altri termini:
ν̂
xSK
Sx
SK
S
Ydt
dS
SS
+−=
+−= νµ
ˆˆ
in altri termini:
con:
+=
SK
S
S
νν ˆ
dS
dtx= −ν
BioMAc 2013
Modellazione delle fasi biologiche – obiettivi
! ?Volume !
Modello di verifica
Modello di dimensionamento
BioreattoreInfluente Effluente! ?
Volume !
!Volume?Bioreattore
Influente Effluente! !Volume?
BioMAc 2013
Modellazione delle fasi biologiche – CAS
0
influent e effluent
Equazioni di bilancio di massa:
=−ν
SEDIMENTATION effluent 0 OXIDATION
sludge recycle e sludge waste
eSo QSVXQS =−ν
( ) ( ) ( )QX1RVXbYXRQ Sr +=−+ ν
BioMAc 2013
Modellazione delle fasi biologiche – CAS
Risultati:Dimensionamento Verifica
( )SSQX eo
⋅−
=ν
( )X
SSQV
S
eo
⋅−
=ν
( )[ ]HRTbY11
R S −⋅−−
= να
( )( ) ( ) αν
α⋅++−−
⋅+⋅−+=
R1RbˆYHRT
HRTbR1RKS
S
se
VX
S ⋅=
ν( )[ ]HRTbY1
1R S −⋅−
−= ν
α
( ) XX r=αwhere:
BioMAc 2013
Modellazione delle fasi biologiche – pre-denitrificazi one
0
influent 1 e SEDIMENTATION effluent 0 DENITRIFICATION (D) NITRIFICATION (N)
1
mixed liquor recycle
e
sludge recycle sludge waste e
( ) ( ) 12121 )1()( QSRRXVXVQSRRQS DHDPDHDDeo ++=+−++ νων
( ) ( )[ ] ( ) 121DHDPe2eNHrH1o QP)1RR(XVQPRPXXQRQP ++=−++ ν
( ) ( ) ( ) ( )1421DHDDe421o4 NHQ)1RR(XVεωνNHQ)RR(NHQ ++=−++
( ) ( ) ( )1321DHDDe321 NOQ)1RR(XVνNOQ)RR( ++=−+
( ) ( ) eNHNPNHNS QSRRXVXVQSRR )1()1( 21121 ++=+−++ νν
( ) eNHNP QPRRXVQPRR )1()1( 21121 ++=−++ ν
12 equazioni in 12 incognite( ) eNHNP QPRRXVQPRR )1()1( 21121 ++=−++ ν
( ) ( ) ( ) ( )e421NHNSNAUTNN1421 NHQ)1RR(XVενXVνNHQ)1RR( ++=−−++
( ) ( ) ( )e321NAUTNN1321 NOQ)1RR(XVνNOQ)1RR( ++=+++
( ) ( ) ( ) ( ) ( )DHDHDHDDNHrH XQRRXVbYXQRXQRD
)1( 2121 ++=−++ ν
( ) ( ) ( ) ( )NHNHNHHSDH XQRRXVbYXQRRN
)1()1( 2121 ++=−+++ ν
( ) ( )[ ]( ) ( ) ( )DAUTNAUTNAUTNHrH XQRRXQRXXXQR )1( 2121 ++=+
( ) ( ) ( ) ( )NAUTNAUTNAUTAUTNDAUT XQRRXVbYXQRR )1()1( 2121 ++=−+++ ν
Modellazione delle fasi biologiche – ASM1
SS
N2 idrolisidecadimentoX
XH
Crescitaanossica
SS
CrescitaaerobicaSO
SNO
N2 idrolisidecadimentoXS
XND
XP effluente
idrolisidecadimentoXS
influente
XACrescitaaerobica
SNH
SNDidrolisiammonificazione
XS
XND
XP
influente
effluente
BioMAc 2013
Modellazione delle fasi biologiche – ASM3
XX
Stoccaggio
Aerobico/Anossico
Respirazione endogena aerobica
effluenteXI idrolisi
N2
XS
XHXSTO
Crescitaanossica
Crescitaaerobica
SO
Aerobico/AnossicoSS
iidrolisi
influenteRespirazione endogena anossica
XI idrolisiSIXSS
SNH
XI
SNO
influenteeffluente
effluenteRespirazione endogena aerobica
XACrescitaaerobica
SNH
XIidrolisi SIXSS
SNH
influenteeffluenteRespirazione
endogena anossica
endogena aerobica
BioMAc 2013
Modellazione delle fasi biologiche – SMP
SUAP
SSMP
S
effluenteSI
SND
N2
influente XH
Crescitaanossica
SS
Crescitaaerobica
SO
SUAP
SBAP
SBAP
SNDdecadimento
idrolisi
XI
XND
SNDidrolisi
XS
SIS
SNO
effluente
effluente
XACrescitaaerobica
SNH
ammonificazione
SBAP
SND
influentedecadimento
idrolisi
XI
XND
SNDidrolisi
XSSBAP
effluente
BioMAc 2013
Modellazione delle fasi biologiche – MBR
SUAP
SSMP
N2 SI
effluente
influente XHXSTO
Stoccaggio
Aerobico/Anossico
Crescitaanossica
SS
Crescitaaerobica
SO
SSNO
decadimento
SI
SNH
SBAP
idrolisiSBAPXS
XI
SSNH
effluente
effluente
influente XA
Crescitaaerobica
SNH
SUAPSNO
decadimento SBAP
idrolisiSBAPXS
SI
XI
effluente
BioMAc 2013
Impianto pilota – Descrizione
termocriostato
Scambiatore di calore
Acqua di rete
Sensore di pH
Sensore di ossigeno disciolto
Condotta del fluido scambiatore di calore
Agitatore
Effluente depurato
R4
r i c i r c o l o
R3
Fango di
supero
R1
R2
Aria
Sensore di ossigeno disciolto
Sensore di pressione
Compressore
Flussimetro
Troppopieno
Agitatore
Rubinetto
Elettrovalvola
Pompa peristaltica
Sensore di livello
BioMAc 2013
Impianto pilota – Funzionamento
Caratteristiche principali del refluo
COD (g·m-3) 420
COD solubile (g·m-3) 176,5COD solubile (g·m ) 176,5
N-NO2 (g·m-3) 0
N-NO3 (g·m-3) 1,87
N-NH4 (g·m-3) 4,6
TN (g·m-3) 54,96
P-PO4 (g·m-3) 7,76
SO4-- (g·m-3) 34
Carboidrati (g·m-3) 36,88
Condizioni di funzionamento
Portata influente (l·d-1) 105
Portata di ricircolo (l·d-1) 315
Portata di supero (l·d-1) 0,8
Volume fase anossica (l) 13,6
Volume fase aerobica (l) 30,8Carboidrati (g·m ) 36,88
Proteine (g·m-3) 11,73
pH 7,2
Volume fase aerobica (l) 30,8
Età del fango (d) 55,5
BioMAc 2013
Impianto pilota – Risultati
180
200
80
7
8
40
60
80
100
120
140
160
CODOUT (mg/L)
20
30
40
50
60
70
Ntot OUT (mg/L)
2
3
4
5
6
7
N-NH4 OUT (mg/L)
0
20
40
29/9 24/10 18/11 13/12 7/1 1/2 26/2 23/3 17/4 12/5 6/6 1/7
data campionamento
0
10
29/9 24/10 18/11 13/12 7/1 1/2 26/2 23/3 17/4 12/5 6/6 1/7
data campionamento
0
1
29/9 24/10 18/11 13/12 7/1 1/2 26/2 23/3 17/4 12/5 6/6 1/7
data campionamento
BioMAc 2013
Impianto pilota – Effluente fase anossica
REATTORE ANOSSICO
COD solubile (gCOD·m-3) 72
N-NO3 (gN-NO3·m-3) 12
N-NH4 (gN-NH4·m-3) 13
SSV (gCOD·m-3) 7.000
BioMAc 2013
Impianto pilota – Effluente fase aerobica
REATTORE AEROBICOREATTORE AEROBICO
SMP (gCOD·m-3) 33
COD solubile (gCOD·m-3) 54
N-NO3 (gN-NO3·m-3) 36
N-NH4 (gN-NH4·m-3) 0,3
SSV (gCOD·m-3) 9.000SSV (gCOD·m ) 9.000
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Coefficienti stechiometric i
COEFFICIENTI STECHIOMETRICIVALORE
CAL. LETT.
Coefficiente di rendimento per la biomassa eterotrofa in fase aerobica
YH,O 0,55 0,67
Coefficiente di rendimento per la biomassa eterotrofa in fase anossica
YH,NO 0,58 0,54
Coefficiente di rendimento per la biomassa autotrofa YA 0,24 0,24
Coefficiente di rendimento dello stoccaggio aerobico YSTO,O 0,95 0,85
Coefficiente di rendimento dello stoccaggio anossico YSTO,NO 0,85 0,8
Coefficiente di formazione di UAP ad opera della Coefficiente di formazione di UAP ad opera della biomassa eterotrofa
γUAP,H 0,65 0,38
Coefficiente di formazione di UAP ad opera della biomassa autotrofa
γUAP,A 1,25 1,6
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Costanti cinetiche
COSTANTI CINETICHEVALORE
CAL LET
Velocità di stoccaggio kSTO 4,2 5
Velocità di idrolisi kh 3 3Velocità di idrolisi kh 3 3
Velocità massima di crescita della biomassa eterotrofa µH,max 6 6
Velocità massima di crescita della biomassa autotrofa µA,max 0,85 0,8
Costante di semisaturazione per il prodotti microbici KSMP 106 /
Costante di semisaturazione per l’NH4 KNH 0,95 1
Tasso decadimento biomassa eterotrofa con formazione di sostanze sospese
bH 0,15 0,22
Tasso decadimento biomassa eterotrofa con formazione di sostanze solubili
bBAP,H 0,28 0,4formazione di sostanze solubili
bBAP,H 0,28 0,4
Tasso decadimento biomassa autotrofa con formazione di sostanze sospese
bA 0,03 0,05
Tasso decadimento biomassa autotrofa con formazione di sostanze solubili
bBAP,A 0,1 0,1
Perdita di XSTO per decadimento della biomassa bSTO 0,13 0,2
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Confronto dei risultati
Parametro Mis Sim Componente modello
REATTORE AEROBICO
SMP (gCOD·m-3) 33 34 SSMP (gCOD·m-3) 33 34 SSMP
COD solubile (gCOD·m-3) 54 55 SS+ SSMP + SI
N-NO3 (gN-NO3·m-3) 46 37 SNO
N-NH4 (gN-NH4·m-3) 0,3 0,3 SNH
SSV (gCOD·m-3) 9.000 9.000 XH +XA
REATTORE ANOSSICO
COD solubile (gCOD·m-3) 72 72 SS+ SSMP + SI
N-NO3 (gN-NO3·m-3) 12 11 SNO
N-NH4 (gN-NH4·m-3) 13 16 SNH
SSV (gCOD·m-3) 7.000 7.000 XH +XA
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Analisi respirometriche
Componenti:
� Reattori in vetro;
� Supporti sonde;� Supporti sonde;
� Stirrer non riscaldato (completa miscelazione);
� Compressore per l’ossigenazione;
�Sonde (ossigeno disciolto, pH, T, potenziale redox);potenziale redox);
� Elettrovalvole (controllo pH con rilascio di acido o base);
� Unità di controllo (MARTINA).
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Analisi respirometriche
• Con aerazione discontinua il tasso di respirazione della biomassa (OUR) si ricava dalla pendenza di un tratto decrescente di ossigeno disciolto (DO) ad aerazione spenta;
• Parametri da impostare: tolleranza superiore ed inferiore (up toll e low toll), il numero di punti su cui calcolare l’OUR , il mse (mean square error);
• Steps per la determinazione dell’OUR:
� Aereazione fino ad un valore di DO superiore ad up toll;ad up toll;
� Raccolta dati fino ad un OUR calcolato sufficientemente preciso (mse < mseimposto);
� Nuova aereazione fino all’up toll se DO è inferiore a low toll o se si ottiene il valore di OUR
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Analisi respirometriche: Y H
Coefficiente di resa cellulare (YH):
• Durata prova 24-48 ore (funzione del tempo impiegato per raggiungere la fase endogena);endogena);
• Tre iniezioni di substrato sintetico (la seconda dopo l’acclimatazione della biomassa al substrato);
•Determinazione dell’area sottesa al diagramma di OUR tramite “Metodo dei trapezi”:
( )21 tOUROURAREA
∆⋅+=
radatodeg
2H
COD
O1Y
∆−=
• Determinazione di YH tramite il consumo di ossigeno, al netto dell’endogeno:
2AREA =
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Analisi respirometriche: Y H
5
10
15
20
25
30
35
OU
R (
mgO
2l-1
d-1
)
radatodeg
2H
COD
O1Y
∆−=
YH = 0,53 Calibrato : YH = 0,55
0
0 6 12 18 24 30 36 42 48
Tempo (h)
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Analisi respirometriche: b H
Velocità di decadimento cellulare (bH):
• Durata prova 72 ore (Raggiungimento della fase endogena);
• Iniezione iniziale di substrato sintetico;
• Interpolazione dei punti di OUR appartenenti alla sola fase endogena e determinazione di bH:
tb
0,HHendHeXb)t(OUR −−=
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Analisi respirometriche: b H
40
0
5
10
15
20
25
30
35
40
OU
R (
mgO
2l-1
h-1
)
tb
0,HHendHeXb)t(OUR −−=
0
0 8 16 24 32 40 48 56 64 72
Tempo (h)
bH = 0,22 d-1 Calibrato : bH = 0,15 d-1
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Analisi respirometriche: µµµµH
Velocità di crescita della biomassa (µH):
• Durata prova circa 48 ore (funzione del tempo impiegato per raggiungere la fase endogena);
• Iniezione di substrato sintetico tale da assicurare un rapporto substrato/biomassa superiore a 4 (affinché il substrato non sia limitante per la crescita microbica);
•Determinazione di µH,max dall’equazione della linea di tendenza nella fase di
t)b(
0,HHmax,H
H
H Hmax,HeXbY
Y1)t(OUR
−⋅⋅
+−= µµ
•Determinazione di µH,max dall’equazione della linea di tendenza nella fase di crescita microbica (eliminando la fase iniziale e quella endogena):
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Analisi respirometriche: µµµµH
50
05
101520253035404550
OU
R (
mgO
2l-1
t-1) t)b(
0,HHmax,H
H
H Hmax,HeXbY
Y1)t(OUR
−⋅⋅
+−= µµ
µH, max = 5,7 d-1 Calibrato : µH, max = 6 d-1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Tempo (h)
BioMAc 2013
Calibrazione del modello – Confronto con dati di lett eratura
COSTANTI CINETICHEVALORE
MIS LETMIS LET
Velocità massima di crescita della biomassa eterotrofa µH, max 5,7 6
Coefficiente di rendimento per la biomassa eterotrofa in fase aerobica
YH 0,53 0,67
Tasso decadimento biomassa eterotrofa con formazione di sostanze sospese
bH 0,22 0,22
BioMAc 2013
Grazie per l’attenzione
MassimilianoMassimiliano FabbricinoFabbricinoUniversità degli Studi di Napoli Federico II
EE--mail: [email protected]: [email protected]
BioMAc 2013
Giovanni EspositoGiovanni EspositoUniversità degli Studi di Cassino e del Lazio Merdionale
EE--mail: [email protected]: [email protected]
