Biorreactors de membranes (MBRS) per al tractament d’aigües residuals

Definició

Els biorreactors de membranes (MBRS) són una bona alternativa als sistemes convencionals de depuració biològica per fangs actius per al tractament d’aigües residuals.

Aquest sistema consisteix en una modificació del sistema convencional de fangs, ja que es substitueixen els dipòsits secundaris de sedimentació, propis del sistema convencional, per unitats de membranes.

Està format per una combinació de:

• Biorreactor: en el qual una suspensió concentrada de microorganismes degrada els contaminants presents a l’aigua.
• Unitat de Filtració per Membranes (0.01- 0.04 µm): que separen la biomassa de l’aigua purificada.

Els biorreactors de membranes consten de diverses membranes i un biorreactor. El mòdul de filtració pot ser extern o intern al biorreactor. La diferència és que el consum energètic en el sistema MBR extern és deu vegades superior a l’intern.

Tot i això, els MBR externs presenten alguns avantatges respecte als interns, com per exemple la possibilitat de netejar in situ les membranes, el fàcil accés als mòduls, permet modificar el nombre de mòduls i dóna l’oportunitat d’optimitzar l’aireació del biorreactor per obtenir coeficients de transferència d’oxigen màxims.

També existeix una novedosa configuració de MBRS anomenada Air lift MBR, que consisteix en un MBR extern, per la qual cosa consta d’un fàcil accés a les membranes i treballa amb fluxos alts. Però, per una altra banda, també consta dels avantatges d’un sistema intern, és a dir que representa un consum energètic baix (0,5 kwh/m3).

En definitiva, el sistema de biorreactors de membrana és una tecnologia capaç de competir amb els sistemes convencionals de fangs, ja que permeten obtenir un efluente de qualitat i presenten una gran versatilitat de disseny.

Avantatges

Aquest sistema és adequat tant per al tractament d’aigües residuals urbanes com per a les aigües residuals industrials biodegradables. La major part d’aplicacions d’aquest sistema les trobem en el sector alimentari, farmacèutic, cosmètic i en abocadors.

Les principals avantatges del sistema MBRS respecte als fangs actius són que:

• Efluente d’alta qualitat amb baixa producció de fangs: opera amb una concentració de biomassa alta.
• Instal·lacions relativament petites: degut a l’absència de sediments.

Altres avantatges a tenir en compte són:

• Llibertat per controlar el procés: permet la manipulació dels temps de residència hidràulics i de biomassa.
• Augment de la separació: associada a la tecnologia de membranes.

Inconvenients

El sistema MBRS presenta un inconvenient principal respecte als fangs actius:

• Alts costos de prevenció i eliminació de l’embrutiment de les membranes: genera més embrutiment que altres sistemes degut a que el medi està sotmès a una major agitació respecte al sistema convencional de fangs, la qual cosa produeix una major producció de SPE.

Tipus d’Embrutiment

La permeabilitat de les membranes està influenciada per les característiques del fang. Les cèl·lules presents en el fang poden formar una capa al voltant de la membrana durant la filtració i crear una biopel·lícula que redueix la permeabilitat, problema que pot veure’s agreujat pel dipòsit de partícules i l’adsorció de materials coloidals.

Factors biològics, com la presència de nutrients, l’edat del fang i el nivell d’agitació afecten la producció de substàncies polimèriques extracel·lulars que són les responsables de l’embrutiment.

Qualsevol tipus d’embrutiment es dóna en les diferents etapes del temps. Durant la filtració, l’augment de pressió transmembrana és degut principalment a la formació de la torta que obstrueix la membrana. En funció del moment en què es dóna l’embrutiment es poden distingir els següents tipus:

1. Reversible: L’embrutiment produït per la torta que obstrueix la membrana, pot ser eliminat amb una neteja física.
2. Irreversible: Dependrà de la tenacitat amb què la brutícia s’uneix a la membrana. A llarg termini la neteja física no pot resistir la pressió transmembrana inicial i per eliminar l’embrutiment és necessària una neteja química.
3. Irrecuperable: L’embrutiment ja no pot eliminar-se mitjançant neteja química i tampoc pot evitar-se l’augment gradual de la pressió transmembrana al llarg d’un període d’anys, per la qual cosa defineix la vida útil de la membrana.

Factors d’Embrutiment

Conèixer els principals factors de l’embrutiment de les membranes és clau per poder realitzar una estratègia d’operació eficient. Els factors que intervenen en l’embrutiment els podem classificar en:

1. Característiques de la membrana
2. Condicions d’operació
3. Propietats de la biomassa

Tenir en compte la velocitat i el tipus d’embrutiment que experimenten els biorreactors de membranes és crucial a l’hora de decidir-se per aquest sistema per al tractament d’aigües residuals.

Aquests factors són de gran importància, ja que condicionen els costos d’operació i manteniment. Per això conèixer-los ens pot ser útil per minimitzar els seus efectes.

Al seu torn, tots els paràmetres implicats en el disseny i l’operació d’un biorreactor de membranes tenen efecte sobre l’embrutiment. És més, els tres factors abans esmentats estan interrelacionats entre si.

A continuació, farem una anàlisi de cadascun d’ells amb la finalitat de reduir l’embrutiment.

Característiques de les membranes

• Material: Els diferents materials dels quals es fabriquen les membranes presenten diferents tendències d’embrutiment. Les membranes orgàniques s’embruten més fàcilment que les compostes de materials inorgànics. Tot i que aquestes últimes siguin més resistents i menys propenses a l’embrutiment, degut al seu preu són poc usades.
• Mida i distribució dels porus: Si la mida de la partícula és menor que la mida del porus, cal tenir en compte l’embrutiment per estrenyiment del porus. Per això, l’embrutiment és més ràpid en membranes de microfiltració que en les d’ultrafiltració.
• Configuració: La configuració de la membrana afecta les condicions hidrodinàmiques, però no la filtrabilitat del fang. Les membranes de fibres buides que solen usar-se en MBR interns són més propenses a l’embrutiment que les tubulars o les planes, i també presenten un major embrutiment si estan instal·lades horitzontalment en comptes de verticalment.

Condicions d’operació

Quan els biorreactors de membrana operen a un flux constant la velocitat d’embrutiment és més baixa que quan es treballa amb pressió transmembrana constant. Tot i que el flux constant provoca un embrutiment irreversible que afavoreix l’estrenyiment dels porus.

• Flux de permeat: Aquest és el principal paràmetre operacional que condiciona l’embrutiment, ja que quan es treballa amb un flux per sobre del valor específic o crític s’observa un embrutiment ràpid i també irreversible.
• Flux creuat: L’augment del grau de turbulència provocat pel flux creuat redueix l’embrutiment. Però una velocitat de flux creuat massa alta pot danyar l’estructura del floc i promou la liberació de productes microbians solubles al medi. Amb velocitats baixes les partícules es dipositen amb més facilitat als porus més grans de la membrana de microfiltració.
• Aireació: En els biorreactors de membrana l’aireació; a part de subministrar oxigen a la biomassa i mantenir en suspensió el fang actiu, també redueix l’embrutiment mitjançant el fregament continuat de les bombolles amb la superfície de la membrana. Cal tenir en compte que una aireació massa intensa podria danyar l’estructura del floc i afavorir la liberació de productes microbians solubles al medi.
• Temps de retenció cel·lular (TRH): TRH alts impliquen fluxos de permeat baixos i poc embrutiment, en canvi, TRH baixos comporten un augment del flux de permeat i de concentració de matèria dissolta al medi. El que provoca un embrutiment major. L’alteració d’aquest paràmetre provoca variacions en l’embrutiment, ja que està lligat a altres paràmetres.
  • Temps de retenció cel·lular (TRC): També està lligat a altres paràmetres el que fa difícil determinar el seu efecte sobre l’embrutiment, ja que no és causa directa d’aquest. Tant el TRH com el TRC afecten sobre altres factors que sí es relacionen directament amb l’embrutiment. Igual que amb el TRH, com més baix sigui el TRC més embrutiment es provoca. Tot i que un TRC molt elevat també provoca un augment de l’embrutiment, per la qual cosa es calcula un TRC òptim des de 20 – 50 dies.
  • Alteracions de l’estat estacionari: Els canvis com variacions del cabal, composició de l’aigua a tractar i canvis en la temperatura són un factor que condicionen l’embrutiment de la membrana. En definitiva, tot estat no estacionari augmenta l’embrutiment.

Característiques del medi

• Distribució de mides: La mida de les partícules presents en el líquid juga un paper important en l’embrutiment. Els sòlids suspesos (flocs i material polimèric extracel·lular lligat) tenen menor importància en l’embrutiment que els col·loides i material dissolt (productes microbians solubles).
• Viscositat: La viscositat, que està lligada a la temperatura i a la concentració de sòlids, també afecta l’embrutiment de la membrana, i modifica la hidrodinàmica del medi i l’aireació. Si la concentració de sòlids augmenta fins a un valor crític, la viscositat augmenta exponencialment i l’embrutiment també augmenta.
• Temperatura: L’ús de temperatures baixes provoca un major embrutiment, degut a que augmenta la viscositat, intensifica la floculació i es redueix la biodegradació.
• Oxigen dissolt: Les concentracions d’oxigen altes solen estar associades amb menors tendències a l’embrutiment.
• Propietats del Floc: Els flocs menys hidrofòbics solen provocar menys embrutiment sobre la superfície de la membrana. Tanmateix, els flocs poc hidrofòbics són més propensos a deteriorar-se, fet que augmenta la resistència de filtració de la torta.
• Substàncies polimèriques extracel·lulars lligades (SPEL): Les SPEL (materials de construcció d’agregats microbians) representen els principals components del floc i juguen un paper crucial en l’embrutiment. Existeix una relació directa entre les SPEL i la resistència específica de la torta de filtració, tot i que no pot considerar-se individualment com una causa d’embrutiment, ja que està relacionada amb gran quantitat de factors. Aquest factor no es pot controlar directament, per la qual cosa cal regular altres factors per minimitzar l’embrutiment. Cal destacar el TRC, el qual presenta un valor òptim per a la producció mínima de SPEL i mitigar l’embrutiment.
• Productes microbians solubles (PMS): En aquest grup es troben els biopolímers solubles o coloidals d’origen cel·lular. Durant la filtració els PMS s’adsorbeixen a l’interior de les membranes, bloquejant els porus i formant una estructura gelatinosa a la superfície de la membrana. Els PMS i la mida dels flocs són els dos aspectes que més condicionen l’embrutiment. Actualment no existeix un mètode fix per determinar la seva concentració. Com amb les SPEL, el TRC juga un paper fonamental respecte a l’embrutiment. En augmentar el TRC; les SPEL, les SPE i els PMS decreixen. També s’ha vist que els PMS disminueixen minimitzant les concentracions d’oxigen dissolt i nitrats al medi.

Tècniques de control de l’Embrutiment

L’embrutiment de les membranes és un fenomen que condiciona l’operació i el manteniment dels sistemes de filtració, ja que limiten la vida útil de les membranes. Les tècniques per minimitzar l’embrutiment també tracten d’optimitzar les propietats de la membrana, les condicions de l’operació i les característiques de la biomassa. Però, per una altra banda, aquestes tècniques no acaben amb la necessitat de neteges físiques i químiques periòdiques de la membrana.

Per això, donar resposta al control de l’embrutiment és un aspecte vital en el disseny i la utilització dels biorreactors de membrana. Les accions necessàries per mantenir controlada la velocitat de l’embrutiment són les següents:

• Realitzar neteges periòdiques de la membrana.
• Modificar les característiques de la biomassa.
• Optimitzar els paràmetres d’operació.

La neteja de la membrana és el mètode més senzill per controlar l’embrutiment. La neteja pot ser física (es basa en mètodes mecànics) o química (s’utilitza un agent oxidant). La neteja física és més senzilla que la química, i en no introduir substàncies químiques la membrana no es danya. Tanmateix, aquest tipus de neteja física és menys eficaç, ja que només actuen sobre l’embrutiment reversible, mentre que la neteja química també elimina l’embrutiment irreversible.

D’una banda, la neteja física de les membranes es pot realitzar de dues maneres diferents: cessant el flux de permeat (relaxació) o invertint el sentit del flux de permeat (contranetejada). L’opció de la contranetejada està incorporada en el disseny dels nostres MBR com a estratègia per remediar l’embrutiment.

Aquesta opció permet eliminar la major part de l’embrutiment degut al bloqueig dels porus i una part de l’embrutiment causada per la torta de filtració. Amb la finalitat de minimitzar l’embrutiment, estalviant el màxim d’energia possible, cal tenir en compte la importància de la freqüència, la durada i la intensitat de la contranetejada. Les contranetejades més escasses, però més llargues, són més eficients que les contranetejades més curtes i freqüents.

També es pot usar aire en la contranetejada per augmentar el permeat, però requereix períodes més llargs i freqüents, i pot minvar la integritat de la membrana. La relaxació de la membrana, és a dir, la filtració discontínua. Tot i que la velocitat d’embrutiment és més alta durant la filtració contínua, la relaxació permet allargar el període de filtració i posposar la necessitat de la neteja.

Actualment es aposta per combinar la filtració discontínua amb la contranetejada amb la finalitat d’optimitzar resultats. La relaxació sense retrolavatge incrementa l’acumulació lenta de la brutícia, però conserva la biopel·lícula de la membrana. Aquesta biopel·lícula és més selectiva que la membrana, per la qual cosa pot ser beneficiosa sempre que la resistència no sigui excessiva.

D’altra banda, la neteja química s’ha de dur a terme periòdicament per complementar la neteja física i així eliminar l’embrutiment irreversible. Es poden diferenciar diferents tipus segons la seva intensitat:

• Contranetejada química (diària)
• Neteja de manteniment (setmanal)
• Neteja intensiva (semestral)

Accions Preventives:

• Millorar les propietats anti-brutícia de la membrana: molt poroses i amb caràcter hidrofílic.
• Optimitzar les condicions d’operació: mantenir les variables d’operació (TRH, TRC, Flux de permeat, Aireació, flux creuat) controlades per limitar l’embrutiment, mitjançant els següents mètodes: sistemes de control de la retroalimentació, reducció del flux de permeat, augment de l’aireació (sense arribar al valor crític), pretractament de l’aigua a tractar.
• Preparar la biomassa per reduir la capacitat d’embrutiment: les característiques de la biomassa bioquímicament a través del control del Temps de Retenció Cel·lular (TRC) o químicament (amb l’addició de floculants, coagulants i adsorbents).

En definitiva, el control de l’embrutiment és clau per al funcionament òptim dels biorreactors de membranes, per la qual cosa resulta necessari dur a terme neteges periòdiques.

Conclusions

Tenint en compte els 3 factors principals dels quals depèn l’embrutiment de MBR, la membrana més adequada ha de tenir una superfície hidrofílica amb una mida de porus petita i uniforme. Ha d’operar a fluxos de permeat moderats, amb aireació i una velocitat de flux creuat de 0,5 a 3 m/s.

També són necessaris TRH alts i TRC de 20 a 50 dies. Cal procurar temperatures de 25 a 30 ºC i concentracions d’oxigen dissolt d’1 -2 ppm. En resum, cal evitar situacions d’estrès per a la biomassa que provoquin concentracions elevades de SPEL i PMS al medi.