Introducción al MBR

1. ¿Qué son los biorreactores de membrana?

La filtración por membrana tiene un papel importante en el tratamiento de agua y aguas residuales, que es superior a las tecnologías de agua convencionales con un mejor rendimiento demostrado y una economía más eficiente. Los procesos básicos de membrana son microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF), ósmosis inversa (RO). Los rangos de separación para esas membranas son los siguientes: 100 a 1000 nm para MF, 5 a 100 nm para UF, 1 a 5 nm para NF y 0,1 a 1 nm para RO. Durante más de 10 años, los MBR se han convertido en una tecnología de tratamiento secundario eficaz mediante el uso de membranas en el rango de MF y UF.

Fig.1, Clasificación de membranas según tamaño de poro

Los procesos

Un biorreactor de membrana (MBR) se utilizan principalmente para el tratamiento de aguas residuales (WWT) mediante el uso de microfiltración (MF) o ultrafiltración (UF) e integrándolos con un proceso biológico como un crecimiento suspendido. biorreactor. Las membranas se emplean como filtro eliminando los sólidos que se desarrollan durante el proceso biológico, lo que da un producto claro y libre de patógenos. Se puede encontrar un ejemplo visual en la siguiente imagen de un MBR sumergido (iMBR) en la Figura 2.

Fig.2, El agua residual pasa por una malla fina para la eliminación de objetos grandes que puedan causar daños a los equipos aguas abajo. Luego ingresa a una Zona Anóxica para el tratamiento de materia nitrogenada y fosfato seguida de una Zona Aeróbica donde los microorganismos con la ayuda del oxígeno que sale del FBD digerirán la materia orgánica en las aguas residuales y se agruparán mientras lo hacen, produciendo un lodo. Este lodo ingresará al Biorreactor de Membrana Inmersa donde la membrana se separará del agua. los sólidos y microorganismos del agua.

Un biorreactor de membrana es esencialmente un reemplazo del sistema convencional de lodos activados (CAS) para el tanque de sedimentación para la separación sólido/líquido. El MBR ofrece al usuario final un mejor control del proceso y una calidad del agua del producto mucho mejor.

El proceso MBR opera en una gama de parámetros considerablemente diferente que el proceso de lodos activados convencional

• SRT 5 -20 días para sistema convencional - 20 -30 días para MBR
• F/M 0,05 -1,5 d-1 para sistema convencional - < 0,1 d-1 para MBR
• MLSS 2000 mg/L para proceso convencional - 5000 -20 000 mg/L para MBR

En general, los MBR tienen tres configuraciones de membrana distintas (Fig.3),

1. sábana plana (FS)
2. fibra hueca (HF)
3. multitubo (MT)

Fig. 3, configuraciones de membrana MBR, A) Fibra hueca, B) Multitubo, C) Hoja plana

1. Aplicaciones MBR

Los MBR son generalmente una opción preferida cuando,

1. Hay espacio limitado
2. El usuario final requiere agua tratada de alta calidad (por ejemplo, para la reutilización del agua)

Unas regulaciones medioambientales cada vez más estrictas, junto con una disminución de los MBR CAPEX y OPEX, han dado lugar a un aumento de las instalaciones y del tamaño en todo el mundo. Los MBR ya se han implementado en más de 200 países en todo el mundo con un número de plantas de más de 4200 m³/d de capacidad y sus tasas de crecimiento de hasta el 15 % se informan periódicamente en varios análisis de mercado.

Por lo general, la tecnología MBR se aplica a aquellas aguas residuales con un contenido de carbono orgánico fácilmente biodegradable. Esto último es especialmente cierto cuando se trata del sector de alimentos y bebidas, que ha hecho un uso extensivo de las tecnologías MBR.

Los mercados de aguas residuales que contienen un contenido moderadamente biodegradable (por ejemplo, lixiviados de vertederos y efluentes farmacéuticos) también han visto un crecimiento de MBR debido a los largos tiempos de retención de sólidos (SRT) que permiten un tratamiento biológico mejorado con respecto al de los procesos biológicos convencionales.

Las aguas que contienen aceite en suspensión (vegetal o mineral) requieren un tratamiento previo (por ejemplo, separación de placas, flotación por aire disuelto o ambos) para proteger la membrana.

Aunque el mercado global de MBR está dominado principalmente por unas pocas empresas importantes, el número de proveedores de tecnología continúa creciendo, con más de 70 productos de módulos de membrana MBR disponibles en el mercado actualmente.

En general, los MBR se han aplicado para tratar efluentes en varios sectores industriales, como:

1.      alimentos y bebidas − alto en carga orgánica

2.      industria petrolera − sectores de exploración, refino y petroquímico

3.      farmacéutica industria: tener ingredientes farmacéuticos activos (API)

4.      industria de la pulpa y el papel − altos niveles de sólidos en suspensión, DQO y DBO

5.      efluente de la industria textil − rebiodegradabilidad, toxicidad, contenido de FOG y color

6.      lixiviados de vertederos − amplia variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos y suspendidos

7.      efluentes de buques − requisitos legislativos y restricciones de espacio.

8.      Tratamiento industrial versus municipal

 

3. ¿Cuáles son las ventajas de los MBR?

En general, se reconoce que los biorreactores de membrana tienen una serie de ventajas sobre otras tecnologías de aguas residuales,

• Yo.    Control independiente de HRT y SRT
• II.   Efluente de alta calidad
• III.  Tamaño reducido
• IV.  Biotratamiento mejorado.
• V.   Control independiente de HRT y SRT
• VI.  MBR OPEX

Yo.    Control independiente de HRT y SRT

Como los sólidos biológicos (licor mezclado o lodo) están completamente contenidos en el biorreactor, esto permite controlar el tiempo de retención de sólidos (SRT) independientemente del tiempo de retención hidráulica (HRT). En el proceso CAS, se debe permitir que los sólidos floculantes (floculantes), que son esencialmente biomasa, crezcan en tamaño hasta el punto en que puedan sedimentarse en el clarificador secundario. Entonces, en CAS el HRT y el SRT están conectados; a medida que aumenta la HRT, los flóculos tienen que crecer, lo que aumenta su sedimentabilidad.

II.   Efluente de alta calidad

Dado que los poros de la membrana del MBR son de tamaño pequeño (<0,5), el efluente tratado tiene una claridad muy alta y una concentración de patógenos significativamente reducida en comparación con el proceso CAS. El efluente tiene una calidad suficientemente alta para ser vertido a cuerpos de agua o para ser utilizado en aplicaciones tales como riego urbano, servicios públicos o descarga de inodoros. También se puede alimentar directamente a un proceso de ósmosis inversa para obtener un permeado de agua de calidad aún mayor.

III.  Tamaño reducido

CAS tiene un HRT alto, lo que conduce a un mayor tamaño de planta requerido. En los MBR, debido a las mayores concentraciones obtenidas, la misma masa total de sólidos está contenida en un volumen menor, por lo que la huella es menor.

IV.  Mejor biotratamiento

Los MBR tienen un SRT más alto, lo que tiende a proporcionar un mejor biotratamiento general debido a que fomenta el desarrollo de microorganismos de crecimiento más lento, específicamente nitrificantes. Este hecho hace que los MBR sean muy eficaces en la eliminación biológica de amoníaco (nitrificación).

V.   ¿Cuáles son las desventajas de los MBR?

Las desventajas clave de un MBR son la complejidad del proceso operativo y el costo que se traduce en CAPEX y OPEX.

Ambos últimos son muy sensibles al coste de la membrana. El OPEX también es sensible a,

• la vida de la membrana
• flujo de permeado
• la tasa de socavación del aire de la membrana (energía de socavación del aire)

VI.   MBR OPEX

En general, los principales elementos que afectan el MBR OPEX incluyen:

1. coste de la membrana / m² superficie de la membrana
2. vida de la membrana en años
3. flujo neto de permeado (flujo de producto/área unitaria), teniendo en cuenta el tiempo de inactividad y el uso del agua del producto para limpiar la membrana
4. demanda de aireación específica de la membrana (SADm) en Nm³/m² área de membrana/h. Nm³ es el volumen de aire a una temperatura de 20°C y 1 bar de presión.
5. Costos de la tierra/m² superficie de tierra
6. coste de energía/ kWh
7. valor de la mejora de la calidad del agua

(7) no es fácilmente cuantificable, pero se puede traducir a la huella ambiental cuantitativa mediante el análisis del ciclo de vida.

1. Evaluación de CAS frente a MBR

Para que CAS produzca un efluente con la misma calidad de agua que la del MBR, es posible que necesite todos o algunos de los siguientes:

1. mayores tamaños de tanques (y, por lo tanto, una mayor superficie terrestre) para HRT extendido
2. aumento de la dosificación de productos químicos para lograr una alta concentración de fósforo (P)
3. postratamiento con un filtro multimedia (MMF) o ultrafiltración/microfiltración (UF/MF) para lograr una calidad de agua tratada comparable a la del MBR con referencia a sólidos suspendidos (SS) y concentración de microorganismos.

Para las plantas existentes, la modernización con un MBR está determinada por el área disponible. Esto permite mejorar la calidad del agua tratada y/o aumentar la capacidad de flujo aunque con una mayor demanda energética.

1. Configuraciones de MBR

La filtración por membrana MBR tiene dos configuraciones principales; 1) membranas impulsadas por vacío sumergidas directamente en el biorreactor (iMBR) y 2) filtración impulsada por presión en MBR de corriente lateral (sMBR) (Fig.4).

Fig.4, Principales configuraciones comerciales de MBR; (A) MBR sumergido, (B) MBR lateral

Los MBR necesitan una fuerza de corte sobre la superficie de la membrana para evitar que la membrana se ensucie debido al contenido de las aguas residuales y es fundamental para mantener el flujo de permeado deseado.

Cuando una corriente de aire/líquido fluye paralela a la superficie de la membrana, crea una fuerza de corte que ayuda a limitar el grado de incrustación en esta última (Fig.5).

 

Fig.5, Uso de burbujas de aire de la aireación para limpiar la superficie de las membranas MBBR

Los procesos sumergidos utilizan la aireación en el biorreactor por esta misma razón, pero los MBR secundarios necesitan emplear bombeo, como ocurre con la mayoría de los otros procesos de membrana. Esta diferencia en las demandas de energía explica el dominio del mercado de configuración iMBR.

Además, la incrustación en los sMBR es mayor debido al bombeo de lodo activado, lo que aumenta la tensión de cizallamiento de los flóculos microbianos, provocando que se rompan, lo que conduce a una disminución en el tamaño de las partículas y la liberación de material incrustante.

Las configuraciones de MBR tienen tres configuraciones de membrana principales que se emplean actualmente en la práctica.

1. sábana plana (FS)
2. fibra hueca (HF)
3. multitubo o multicanal (MT/MC)

Aunque los sMBR consumen más energía que los iMBR, ofrecen una serie de ventajas:

a.   Requisito reducido de área de membrana gracias a una operación con mayor flujo

b.  flexibilidad operativa para operación y mantenimiento. ciclo de limpieza; a diferencia de iMBR, la limpieza química in situ de las membranas se puede realizar sin ningún riesgo químico para la biomasa

c.  los costos de mantenimiento y tiempo de inactividad de la planta, particularmente para el reemplazo del módulo de membrana, son generalmente ligeramente más bajos; los módulos son fácilmente accesibles y, por lo tanto, se pueden reemplazar en un tiempo mucho más corto que las membranas sumergidas

d.  los módulos de membrana se pueden conectar y desconectar de acuerdo con la carga hidráulica

E.  es posible el funcionamiento con concentraciones de sólidos más altas

f.  el funcionamiento con una menor demanda de energía es posible si se reducen la presión y los caudales o si las membranas están configuradas para funcionamiento con elevación de aire, aunque esto exige más área de membrana

Para flujos pequeños de efluentes difíciles de tratar, el sMBR suele ser predominante debido a su operación simple, su tamaño más pequeño y su mantenimiento más sencillo, especialmente cuando se trata de reemplazo de membranas. Para plantas muy grandes, el iMBR siempre se selecciona con las membranas HF ya que el OPEX suele ser menor.

Para flujos intermedios, normalmente elegimos un iMBR HF o FS. El FS es más sencillo de operar, pero tanto el coste de la membrana/m² área como la demanda de energía son ligeramente superiores a los de la configuración HF.

Finalmente, aunque la mayoría de los sMBR utilizan la configuración de bomba clásica, si las membranas están dispuestas en serie de un patrón serpentino, pueden funcionar en modo de elevación de aire, que tiene una demanda de energía casi la misma que los iMBR y, por lo tanto, pueden considerarse para aplicaciones de aguas residuales municipales con la ventaja de ocupar menos espacio y eliminar eficazmente los trapos. Sin embargo, las membranas suelen ser más costosas que las sumergidas.

1. Operación y mantenimiento de MBR: ensuciamiento, obstrucción y limpieza

La disminución de la permeabilidad en los MBR se debe principalmente al ensuciamiento de la membrana y la obstrucción de los canales de la membrana:

1. Por "infracción" nos referimos al recubrimiento de la superficie de la membrana o al taponamiento de los poros de la membrana con sólidos disueltos, coloidales o finos. Normalmente se elimina mediante los ciclos de limpieza física y química.
2. Al "obstruir" nos referimos a la aglomeración de sólidos brutos dentro o en la entrada de los canales de la membrana. La obstrucción dentro de los canales a veces se denomina "lodo".

En las EDAR municipales, las membranas a veces también pueden obstruirse con "trapos" de agua. (o "trenzas") formadas a partir de materia filamentosa agregada (específicamente fibras textiles como el algodón). Nos referimos a esto como "desgarrado" o "trenzado".

Fig.6. Disminución de la permeabilidad en los MBR

La limpieza de la membrana puede ser física o química. La limpieza física elimina los sólidos gruesos adheridos a la superficie de la membrana (incrustaciones reversibles). La limpieza química elimina el material más tenaz (incrustaciones irreversibles).

1. La limpieza física normalmente se realiza mediante "lavado retroactivo" del sistema. (invirtiendo el flujo de regreso a través de la membrana) que puede mejorarse mediante combinación con aire o relajación. (deteniendo la permeación mientras se continúa limpiando la membrana con burbujas de aire). Estas dos técnicas se pueden utilizar en combinación
2. La limpieza química generalmente utiliza hipoclorito de sodio (NaOCl), un químico oxidante, en combinación con ácidos minerales u orgánicos (más a menudo ácido cítrico, C₆H₈O₇) sin quitar la membrana del tanque o patín (limpieza in situ o CIP). Si la limpieza química se combina con el lavado a contracorriente, esto normalmente se denomina "lavado a contracorriente mejorado químicamente". (CEB). Las CEB se llevan a cabo de forma rutinaria semanal/mensual para los iMBR de HF.

La limpieza física es 1) generalmente rápida, 2) no requiere productos químicos, 3) no genera residuos químicos y 4) es menos probable que degrade la membrana. Sin embargo, siempre es necesaria una limpieza química en algunos puntos, ya que queda una resistencia residual que puede definirse como "incrustación irrecuperable" en la superficie. que puede acumularse con el tiempo y disminuir la vida útil de la membrana.

La limpieza química cuyo objetivo es recuperar la permeabilidad requiere mayores concentraciones de reactivo y tiempos de contacto más prolongados.

No se puede esperar que ni la limpieza física de rutina ni la limpieza química contrarresten la obstrucción, lo que exige una intervención manual (retirada de la membrana sumergida de los tanques) para eliminar el material aglomerado.

 

 Fig.7, procedimientos de limpieza física y química de limpieza de membranas MBR