Recently developed wastewater treatment technologies : a comparative assessment of membrane bioreactors (MBR) and moving bed biofilm reactors (MBBR)

MBR and MBBR are modern systems, employing two distinct biological processes: Suspended growth (MBR) and Attached growth (MBBR). Both are particularly suited for the upgrading of existing Conventional Activated Sludge (CAS) processes, without increasing land occupation. Based on a modified CAS, MBR processes are well understood under the biological point of view, while much has still to be done about membrane fouling prevention and control. On the other hand, MBBR systems are based on biofilm formation and growth, are still under research and development, and must rely on experiments. While MBRs require a more sophisticated and costly equipment, but produce a high quality, filtered and virtually bacteria-free effluent, MBBR processes are simpler, cheaper, but produce a lower quality effluent. Analyses of a full-scale MBR-based WWTP in Colonno, Como, Italy, along with two other full-scale MBR-based WWTPs, have confirmed the attractiveness of MBR systems in terms of their treatment efficiency performance. An alternative equivalent MBBR design based on the same plant data has revealed a significant MBBR potential, but only if space is not a limiting factor, as MBRs offer a much reduced footprint compared to MBBRs, as they do not require subsequent filtration and disinfection units. Two additional full-scale MBBR WWTP case studies were analyzed as well. Both technologies can be adjusted to allow intensive biological wastewater treatment, with a lower footprint than CAS, but, in the case of Colonno, the limited available space forced to place the WWTP in a cavern, so that minimum foot-print was the main criterion for choosing MBR over MBBR. Membrane fouling in MBR processes and the fate of particulate substrates (e.g.: adhesion and hydrolysis of suspended solids and complex organic molecules) in MBBR processes are respectively the two current largest areas of improvement with extensive research and development.

MBR e MBBR sono due sistemi diversi per il trattamento delle acque reflue. I due sistemi utilizzano due distinti processi biologici: a biomassa sospesa (per MBR) e a biomassa adesa (per MBBR). Entrambi sono particolarmente idonei per il potenziamento di impianti convenzionali a fanghi attivi (CAS) senza necessità di ulteriori ampliamenti. Il processo biologico nei sistemi MBR è noto, essendo basato su una versione modificata del processo a fanghi attivi, ma il problema della prevenzione e del controllo del “fouling” (letteralmente “sporcamento”, ovvero l’intasamento dei pori della membrana) è ancora in fase di studio e ricerca. I sistemi MBBR, basati sulla formazione di pellicole biologiche (biofilm) su supporti plastici, pur vantando numerose applicazioni, sono ancora oggetto di ricerca e sviluppo, tanto che il progetto deve ancora basarsi sui risultati di prove pilota. Entrambi i sistemi offrono elevate efficienze di trattamento biologico. In particolare gli MBR garantiscono anche un effluente filtrato e privo di carica batterica residua, ma sono più complessi e richiedono una più attenta gestione. Gli MBBR sono di più semplice ed economica realizzazione e gestione, ma producono un effluente che richiede ulteriori trattamenti di affinamento (filtrazione e disinfezione) per ottenere una qualità comparabile a quella ottenibile dai processi MBR. L’analisi di un impianto di depurazione a piena scala (Colonno, Como, Italia), con l’analisi di altri due impianti di depurazione, hanno confermato l’attrattiva dei sistemi MBR in termini di efficienza di trattamento. Un progetto alternativo basato sul processo MBBR e dimensionato con gli stessi dati di progetto, consentirebbe comunque un effluente comparabile con minori costi di costruzione e di esercizio, ma al prezzo di una maggiore occupazione di spazio dovuta ai trattamenti di filtrazione e disinfezione, non richiesti dal processo MBR. Entrambi i processi consentono comunque il trattamento intensivo delle acque di rifiuto con minore occupazione di spazi rispetto ai CAS, ma, nel caso di Colonno, la necessità di realizzazione in caverna ha premiato le minori esigenze di spazio dell’MBR. Il fouling delle membrane per gli MBR e la biodegradazione dei substrati particolati (quali solidi sospesi e molecole organiche complesse) negli MBBR sono le due aree di ricerca attualmente più attive per ampliare l’ambito applicativo e l’affidabilità di entrambe le tecnologie.