Biorreactores de membranas (MBRS) para el tratamiento de aguas residuales

Definición

Los biorreactores de membranas (MBRS) son una buena alternativa a los sistemas convencionales de depuración biológica por fangos activos para el tratamiento de aguas residuales.

Este sistema consiste en una modificación del sistema convencional de fangos, ya que se reemplazan los tanques secundarios de sedimentación, propios del sistema convencional, por unidades de membranas.

Está formado por una combinación de:

• Biorreactor: en el que una suspensión concentrada de microorganismos degrada los contaminantes presentes en el agua.
• Unidad de Filtración por Membranas (0.01- 0.04 µm): que separan la biomasa del agua purificada.

Los biorreactores de membranas constan de varias membranas y un birreactor. El módulo de filtración puede ser externo o interno al biorreactor. La diferencia es que le consumo energético en el sistema MBR externo es diez veces superior al interno.

Aun así, los MBR externos presentan algunas ventajas respecto a los internos, como por ejemplo la posibilidad de limpiar in situ las membranas, el fácil acceso a los módulos, permite modificar el número de módulos y da la oportunidad de optimizar la aireación del biorreactor para obtener coeficientes de transferencia de oxígeno máximos.

También existe una novedosa configuración de MBRS denominada Air lift MBR, que consiste en un MBR externo, por lo que consta de un fácil acceso a las membranas y trabaja con flujos latos. Pero, por otra parte, también consta de las ventajas de un sistema interno, es decir que representa un consumo energético bajo (0,5 kwh/m3).

En definitiva, el sistema de biorreactores de membrana es una tecnología capaz de competir con los sistemas convencionales de fangos, ya que permiten obtener un efluente de calidad y presentan una gran versatilidad de diseño.

Ventajas

Este sistema es adecuado tanto para el tratamiento de aguas residuales urbanas como para las aguas residuales industriales biodegradables. La mayor parte de aplicaciones de este sistema los encontramos en el sector alimentario, farmacéutico, cosmético y en vertederos.

Las principales ventajas del sistema MBRS respecto a los fangos activos son que:

• Efluente de alta calidad con baja producción de lodos: opera con una concentración de biomasa alta.
• Instalaciones relativamente pequeñas: debido a la ausencia de sedimentos.

Otras ventajas para tener en cuenta son:

• Libertad para controlar el proceso: permite la manipulación de los tiempos de residencia hidráulicos y de biomasa.
• Aumento de la separación: asociada a la tecnología de membranas.

Inconvenientes

El sistema MBRS presenta un inconveniente principal respecto a los fangos activos:

• Altos Costes de Prevención y Eliminación del Ensuciamiento de las membranas: genera más ensuciamiento que otros sistemas debido a que el medio está sometido a una mayor agitación respecto al sistema convencional de fangos, lo que produce una mayor producción de SPE.

Tipos de Ensuciamiento

La permeabilidad de las membranas está influenciada por las características del lodo. Las células presentes en el lodo pueden formar una capa en torno a la membrana durante la filtración y crear una biopelícula que reduce la permeabilidad, problema que puede verse acrecentado por el depósito de partículas y la adsorción de materiales coloidales.

Factores biológicos, como la presencia de nutrientes, la edad del lodo y el nivel de agitación afectan a la producción sustancias poliméricas extracelulares que son las responsables del ensuciamiento.

Cualquier tipo de ensuciamiento se da en las distintas etapas del tiempo. Durante la filtración, el aumento de presión transmembrana es debido principalmente a la formación de la torta que obstruye la membrana. En función del momento en que se da el ensuciamiento se pueden distinguir los siguientes tipos:

1. Reversible: El ensuciamiento producido por la torta que obstruye la membrana, puede ser eliminado con una limpieza física.
2. Irreversible: Dependerá de la tenacidad con la que la suciedad se une a la membrana. A largo plazo la limpieza física no puede resistir la presión transmembrana inicial y para eliminar el ensuciamiento es necesaria una limpieza química.
3. Irrecuperable: El ensuciamiento ya no puede eliminarse mediante limpieza química y tampoco puede evitarse el aumento gradual de la presión transmembrana a lo largo de un periodo de años, por lo que define la vida útil de la membrana.

Factores de Ensuciamiento

Conocer los principales factores del ensuciamiento de las membranas es clave para poder realizar una estrategia de operación eficiente. Los factores que intervienen en el ensuciamiento los podemos clasificar en:

1. Características de la membrana
2. Condiciones de operación
3. Propiedades de la biomasa

Tener en cuenta la velocidad y el tipo de ensuciamiento que experimentan los biorreactores de membranas es crucial a la hora de decidirse por este sistema para el tratamiento de aguas residuales.

Estos factores son de gran importancia, ya que condicionan los costes de operación y mantenimiento. Por lo que conocerlos nos puede ser útil para minimizar sus efectos.

A su vez, todos los parámetros implicados en el diseño y la operación de un biorreactor de membranas tienen efecto sobre el ensuciamiento. Es más, los tres factores antes mencionados están interrelacionados entre sí.

A continuación, haremos un análisis de cada uno de ellos con el fin de reducir el ensuciamiento.

Características de las membranas

• Material: Los distintos materiales de los que se fabrican las membranas presentan diferentes tendencias de ensuciamiento. Las membranas orgánicas se ensucian más fácilmente que las compuestas de materiales inorgánicos. Aunque estas últimas sean más resistentes y menos propensas al ensuciamiento, debido a su precio son poco usadas.
• Tamaño y distribución de los poros: Si el tamaño de la partícula es menor que el tamaño del poro, hay que tener en cuenta el ensuciamiento por estrechamiento del poro. Por eso, el ensuciamiento es más rápido en membranas de microfiltración que en las de ultrafiltración.
• Configuración: La configuración de la membrana afecta a las condiciones hidrodinámicas, pero no a la filtrabilidad del lodo. Las membranas de fibras huecas que suelen usarse en MBR internos son más propensas al ensuciamiento que las tubulares o las planas, y también presentan un mayor ensuciamiento si están instaladas horizontalmente en vez de verticalmente.

Condiciones de operación

Cuando los bioreactores de membrana operan a un flujo constante la velocidad de ensuciamiento es más baja que cuando se trabaja con presión transmembrana constante. Aunque el flujo constante provoca un ensuciamiento irreversible que favorece al estrechamiento de los poros.

• Flujo de permeado: Este es el principal parámetro operacional que condiciona el ensuciamiento, ya que cuando se trabaja con un flujo por encima del valor especifico o crítico se observa un ensuciamiento rápido y también irreversible.
• Flujo cruzado: El aumento del grado de turbulencia provocado por el flujo cruzado reduce el ensuciamiento. Pero una velocidad de flujo cruzado demasiado alta puede dañar la estructura del flóculo y promueve la liberación de productos microbianos solubles al medio. Con velocidades bajas las partículas se depositan con mayor facilidad en los poros más grandes de la membrana de microfiltración.
• Aireación: En los biorreactores de membrana la aireación; aparte de subministrar oxígeno a la biomasa y mantener en suspensión el lodo activo, también reduce el ensuciamiento mediante el rozamiento continuado de las burbujas con la superficie de la membrana. Hay que tener en cuenta que una aireación demasiado intensa podría dañar la estructura del flóculo y favorecer la liberación de productos microbianos solubles al medio.
• Tiempo de retención celular (TRH): TRH altos implican flujos de permeado bajos y poco ensuciamiento, en cambio, TRH bajos conllevan un aumento del flujo de permeado y de concentración de materia disuelta en el medio. Lo que provoca un ensuciamiento mayor. La alteración de este parámetro provoca variaciones en el ensuciamiento, ya que está ligado a otros paramentaros.
  • Tiempos de retención celular (TRC): También está ligado a otros parámetros lo que hace difícil determinar su efecto sobre el ensuciamiento, ya que no es causa directa de ello. Tanto el TRH como el TRC afectan a sobre otros factores que sí se relacionan directamente con el ensuciamiento. Igual que con el TRH, contra más bajo sea el TRC más ensuciamiento se provoca. Aunque un TRC muy elevado también provoca un aumento del ensuciamiento, por lo que se calcula un TRC optimo desde 20 – 50 días.
  • Alteraciones del estado estacionario: Los cambios como variaciones del caudal, composición del agua a tratar y cambios en la temperatura son un factor que condicionan el ensuciamiento de la membrana. En definitiva, todo estado no estacionario aumenta el ensuciamiento.

Características del medio

• Distribución de tamaños: El tamaño de las partículas presentes en el líquido juega un papel importante en el ensuciamiento. Los sólidos suspendidos (flóculos y material polimérico extracelular ligado) tienen menor importancia en el ensuciamiento que los coloides y material disuelto (productos microbianos solubles).
• Viscosidad: La viscosidad, que está ligada a la temperatura y a la concentración de sólidos, también afecta al ensuciamiento de la membrana, y modifica la hidrodinámica del medio y la aireación. Si la concentración de sólidos aumenta hasta un valor crítico, la viscosidad aumenta exponencialmente y el ensuciamiento también aumenta.
• Temperatura: El empleo de temperaturas bajas provoca un mayor ensuciamiento, debido a que aumenta la viscosidad, intensifica la de floculación y se reduce la biodegradación.
• Oxígeno disuelto: Las concentraciones de oxígeno altas suelen estar asociadas con menores tendencias al ensuciamiento.
• Propiedades del Flóculo: Los flóculos menos hidrofóbicos suelen provocar menos ensuciamiento sobre la superficie de la membrana. Sin embargo, los flóculos poco hidrofóbicos son más propensos a deteriorarse, lo que aumenta la resistencia de filtración de la torta.
• Sustancias poliméricas extracelulares ligadas (SPEL): Las SPEL (materiales de construcción de agregados microbianos) representan los principales componentes del flóculo y juegan un papel crucial en el ensuciamiento. Existe una relación directa entre las SPEL y la resistencia especifica de la torta de filtración, aunque no puede considerarse individualmente como una causa de ensuciamiento, ya que está relacionada con gran cantidad de factores. Este factor no se puede controlar directamente, por lo que hay que regular otros factores para minimizar el ensuciamiento. Hay que destacar el TRC, el cual presenta un valor óptimo para la producción mínima de SPEL i mitigar el ensuciamiento.
• Productos microbianos solubles (PMS): En este grupo se encuentran los biopolimeros solubles o coloidales de origen celular. Durante la filtración los PMS se adsorben en el interior de las membranas, bloqueando los poros y formando una estructura gelatinosa en la superficie de la membrana. Los PMS y el tamaño de los flóculos son los dos aspectos que más condicionan el ensuciamiento. Actualmente no existe un método fijo para determinar su concentración. Como con el SPEL, El TRC juega un papel fundamental respecto al ensuciamiento. Al aumentar el TRC; el SPEL, el SPE y el PMS decrecen. También se ha visto que el PMS disminuye minimizando las concentraciones de oxígeno disuelto y nitrato en el medio.

Técnicas de control del Ensuciamiento

El ensuciamiento de las membranas es un fenómeno que condiciona la operación y el mantenimiento de los sistemas de filtración, ya que limitan la vida útil de las membranas. Las técnicas para minimizar el ensuciamiento también tratan de optimizar las propiedades de la membrana, las condiciones de la operación y las características de la biomasa. Pero, por otro lado, estas técnicas no acaban con la necesidad de limpiezas físicas y químicas periódicas de la membrana.

Por ello, dar respuesta al control del ensuciamiento es un aspecto vital en el diseño y la utilización de los biorreactores de membrana. Las acciones necesarias para mantener controlada la velocidad del ensuciamiento son las siguientes:

• Realizar limpiezas periódicas de la membrana.
• Modificar las características de la biomasa.
• Optimizar los parámetros de operación.

La limpieza de la membrana es el método más sencillo para controlar el ensuciamiento. La limpieza puede ser física (se basa en métodos mecánicos) o química (se utiliza un agente oxidante). La limpieza física es más sencilla que la química, y al no introducir sustancias químicas la membrana no se daña. Sin embargo, este tipo de limpieza física es menos eficaz, ya que sólo actúan sobre el ensuciamiento reversible, mientras la limpieza química también elimina el ensuciamiento irreversible.

Por un lado, la limpieza física de las membranas se puede realizar de dos maneras distintas: cesando el flujo de permeado (relajación) o invirtiendo el sentido del flujo de permeado (contralavado). La opción del contralavado está incorporada en el diseño de nuestros MBR como estrategia para remediar el ensuciamiento.

Esta opción permite eliminar la mayor parte del ensuciamiento debido al bloqueo de los poros y una parte del ensuciamiento causada por la torta de filtración. Con el fin de minimiza el ensuciamiento, ahorrando el máximo de energía posible, hay que tener en cuenta la importancia de la frecuencia, la duración y la intensidad del contralavado. Los contralavados más escasos, pero más largos son más eficientes que los contralavado más cortos y frecuentes.

También se puede usar aire en el contralavado para así aumentar el permeado, pero requieres periodos más largos y frecuentes, y puede menoscabar la integridad de la membrana. La relajación de la membrana, es decir, la filtración discontinua. Aunque la velocidad de ensuciamiento es más alta durante la filtración continua, la relajación permite alargar el periodo de filtración y posponer la necesidad de la limpieza.

Actualmente se apuesta por combinar la filtración discontinua con el contralavado con el fin de optimizar resultados. La relajación sin retrolavado incrementa la acumulación lenta de la suciedad, pero conserva la biopelícula de la membrana. Esta biopelícula es más selectiva que la membrana, por lo que puede ser beneficiosa siempre que la resistencia no sea excesiva.

Por otro lado, la limpieza química se ha de llevar a cabo periódicamente para complementar la limpieza física y así eliminar el ensuciamiento irreversible. Se pueden diferenciar distintos tipos según su intensidad:

• Contralavado químico (diario)
• Limpieza de mantenimiento (semanal)
• Limpieza intensiva (semestral)

Acciones Preventivas:

• Mejorar las propiedades anti-suciedad de la membrana: muy porosas y con carácter hidrofílico.
• Optimizar las condiciones de operación: mantener las variables de operación (TRH, TRC, Flujo de permeado, Aireación, flujo cruzado) controladas para limitar el ensuciamiento, mediante los siguientes métodos: sistemas de control de la retroalimentación, reducción del flujo de permeado, aumento de la aireación (sin llegar al valor crítico), pretratamiento del agua a tratar.
• Preparar la biomasa para reducir la capacidad de ensuciamiento: las características de la biomasa bioquímicamente a través del control del Tiempo de Retención Celular (TRC) o químicamente (con la adición de floculantes, coagulante y adsorbentes).

En definitiva, el control del ensuciamiento es clave para el funcionamiento óptimo de los biorreactores de membranas, por lo que resulta necesario llevar a cabo limpiezas periódicamente.

Conclusiones

Teniendo en cuenta los 3 factores principales de los cuales depende el ensuciamiento de MBR, la membrana más adecuada debe tener una superficie hidrofílica con un tamaño de poro pequeño y uniforme. Debe operar a flujos de permeado moderados, con aireación y una velocidad de flujo cruzado de 0,5 a 3 m/s.

También son necesarios TRH altos y TRC de 20 a 50 días. Hay que procurar temperaturas de 25 a 30 º C y concentraciones de oxígeno disuelto de 1 -2 ppm. En resumen, hay que evitar situaciones de estrés para la biomasa que provoquen concentraciones elevadas de SPEL y PMS en el medio.