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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 suspensi√≥n concentrada de microorganismos degrada los contaminantes presentes en el agua.
  • Unidad de Filtraci√≥n por Membranas (0.01- 0.04 ¬Ķm): 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 as√≠, los MBR externos presentan algunas ventajas respecto a los internos, como por ejemplo la posibilidad de limpiar in situ las membranas, el f√°cil acceso a los m√≥dulos, permite modificar el n√ļmero de m√≥dulos y da la oportunidad de optimizar la aireaci√≥n del biorreactor para obtener coeficientes de transferencia de ox√≠geno m√°ximos.

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 tecnolog√≠a capaz de competir con los sistemas convencionales de fangos, ya que permiten obtener un efluente de calidad y presentan una gran versatilidad de dise√Īo.

Biorreactor MBR

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 producci√≥n de lodos: opera con una concentraci√≥n de biomasa alta.
  • Instalaciones relativamente peque√Īas: debido a la ausencia de sedimentos.

Otras ventajas para tener en cuenta son:

  • Libertad para controlar el proceso: permite la manipulaci√≥n de los tiempos de residencia hidr√°ulicos y de biomasa.
  • Aumento de la separaci√≥n: asociada a la tecnolog√≠a de membranas.

Inconvenientes

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

  • Altos Costes de Prevenci√≥n y Eliminaci√≥n del Ensuciamiento de las membranas: genera m√°s ensuciamiento que otros sistemas debido a que el medio est√° sometido a una mayor agitaci√≥n respecto al sistema convencional de fangos, lo que produce una mayor producci√≥n 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 qu√≠mica y tampoco puede evitarse el aumento gradual de la presi√≥n transmembrana a lo largo de un periodo de a√Īos, por lo que define la vida √ļtil 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 operaci√≥n y mantenimiento. Por lo que conocerlos nos puede ser √ļtil para minimizar sus efectos.

A su vez, todos los par√°metros implicados en el dise√Īo y la operaci√≥n de un biorreactor de membranas tienen efecto sobre el ensuciamiento. Es m√°s, los tres factores antes mencionados est√°n interrelacionados entre s√≠.

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

Diagrama Biorreactores

Características de las membranas

  • Material: Los distintos materiales de los que se fabrican las membranas presentan diferentes tendencias de ensuciamiento. Las membranas org√°nicas se ensucian m√°s f√°cilmente que las compuestas de materiales inorg√°nicos. Aunque estas √ļltimas sean m√°s resistentes y menos propensas al ensuciamiento, debido a su precio son poco usadas.
  • Tama√Īo y distribuci√≥n de los poros: Si el tama√Īo de la part√≠cula es menor que el tama√Īo del poro, hay que tener en cuenta el ensuciamiento por estrechamiento del poro. Por eso, el ensuciamiento es m√°s r√°pido en membranas de microfiltraci√≥n que en las de ultrafiltraci√≥n.
  • Configuraci√≥n: La configuraci√≥n de la membrana afecta a las condiciones hidrodin√°micas, pero no a la filtrabilidad del lodo. Las membranas de fibras huecas que suelen usarse en MBR internos son m√°s propensas al ensuciamiento que las tubulares o las planas, y tambi√©n presentan un mayor ensuciamiento si est√°n 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 par√°metro operacional que condiciona el ensuciamiento, ya que cuando se trabaja con un flujo por encima del valor especifico o cr√≠tico se observa un ensuciamiento r√°pido y tambi√©n 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 da√Īar la estructura del fl√≥culo y promueve la liberaci√≥n de productos microbianos solubles al medio. Con velocidades bajas las part√≠culas se depositan con mayor facilidad en los poros m√°s grandes de la membrana de microfiltraci√≥n.
  • Aireaci√≥n: En los biorreactores de membrana la aireaci√≥n; aparte de subministrar ox√≠geno a la biomasa y mantener en suspensi√≥n el lodo activo, tambi√©n reduce el ensuciamiento mediante el rozamiento continuado de las burbujas con la superficie de la membrana. Hay que tener en cuenta que una aireaci√≥n demasiado intensa podr√≠a da√Īar la estructura del fl√≥culo y favorecer la liberaci√≥n de productos microbianos solubles al medio.
  • Tiempo de retenci√≥n 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 concentraci√≥n de materia disuelta en el medio. Lo que provoca un ensuciamiento mayor. La alteraci√≥n de este par√°metro provoca variaciones en el ensuciamiento, ya que est√° ligado a otros paramentaros.
    • Tiempos de retenci√≥n celular (TRC): Tambi√©n est√° ligado a otros par√°metros lo que hace dif√≠cil 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 s√≠ se relacionan directamente con el ensuciamiento. Igual que con el TRH, contra m√°s bajo sea el TRC m√°s ensuciamiento se provoca. Aunque un TRC muy elevado tambi√©n provoca un aumento del ensuciamiento, por lo que se calcula un TRC optimo desde 20 ‚Äď 50 d√≠as.
    • Alteraciones del estado estacionario: Los cambios como variaciones del caudal, composici√≥n 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

  • Distribuci√≥n de tama√Īos: El tama√Īo de las part√≠culas presentes en el l√≠quido juega un papel importante en el ensuciamiento. Los s√≥lidos suspendidos (fl√≥culos y material polim√©rico extracelular ligado) tienen menor importancia en el ensuciamiento que los coloides y material disuelto (productos microbianos solubles).
  • Viscosidad: La viscosidad, que est√° ligada a la temperatura y a la concentraci√≥n de s√≥lidos, tambi√©n afecta al ensuciamiento de la membrana, y modifica la hidrodin√°mica del medio y la aireaci√≥n. Si la concentraci√≥n de s√≥lidos aumenta hasta un valor cr√≠tico, la viscosidad aumenta exponencialmente y el ensuciamiento tambi√©n aumenta.
  • Temperatura: El empleo de temperaturas bajas provoca un mayor ensuciamiento, debido a que aumenta la viscosidad, intensifica la de floculaci√≥n y se reduce la biodegradaci√≥n.
  • Ox√≠geno disuelto: Las concentraciones de ox√≠geno altas suelen estar asociadas con menores tendencias al ensuciamiento.
  • Propiedades del Fl√≥culo: Los fl√≥culos menos hidrof√≥bicos suelen provocar menos ensuciamiento sobre la superficie de la membrana. Sin embargo, los fl√≥culos poco hidrof√≥bicos son m√°s propensos a deteriorarse, lo que aumenta la resistencia de filtraci√≥n de la torta.
  • Sustancias polim√©ricas extracelulares ligadas (SPEL): Las SPEL (materiales de construcci√≥n de agregados microbianos) representan los principales componentes del fl√≥culo y juegan un papel crucial en el ensuciamiento. Existe una relaci√≥n directa entre las SPEL y la resistencia especifica de la torta de filtraci√≥n, aunque no puede considerarse individualmente como una causa de ensuciamiento, ya que est√° 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 √≥ptimo para la producci√≥n m√≠nima 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 filtraci√≥n 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 tama√Īo de los fl√≥culos son los dos aspectos que m√°s condicionan el ensuciamiento. Actualmente no existe un m√©todo fijo para determinar su concentraci√≥n. 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. Tambi√©n se ha visto que el PMS disminuye minimizando las concentraciones de ox√≠geno disuelto y nitrato en el medio.

Técnicas de control del Ensuciamiento

El ensuciamiento de las membranas es un fen√≥meno que condiciona la operaci√≥n y el mantenimiento de los sistemas de filtraci√≥n, ya que limitan la vida √ļtil de las membranas. Las t√©cnicas para minimizar el ensuciamiento tambi√©n tratan de optimizar las propiedades de la membrana, las condiciones de la operaci√≥n y las caracter√≠sticas de la biomasa. Pero, por otro lado, estas t√©cnicas no acaban con la necesidad de limpiezas f√≠sicas y qu√≠micas peri√≥dicas de la membrana.

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

  • Realizar limpiezas peri√≥dicas de la membrana.
  • Modificar las caracter√≠sticas de la biomasa.
  • Optimizar los par√°metros de operaci√≥n.

La limpieza de la membrana es el m√©todo m√°s sencillo para controlar el ensuciamiento. La limpieza puede ser f√≠sica (se basa en m√©todos mec√°nicos) o qu√≠mica (se utiliza un agente oxidante). La limpieza f√≠sica es m√°s sencilla que la qu√≠mica, y al no introducir sustancias qu√≠micas la membrana no se da√Īa. Sin embargo, este tipo de limpieza f√≠sica es menos eficaz, ya que s√≥lo act√ļan sobre el ensuciamiento reversible, mientras la limpieza qu√≠mica tambi√©n elimina el ensuciamiento irreversible.

Por un lado, la limpieza f√≠sica de las membranas se puede realizar de dos maneras distintas: cesando el flujo de permeado (relajaci√≥n) o invirtiendo el sentido del flujo de permeado (contralavado). La opci√≥n del contralavado est√° incorporada en el dise√Īo 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 qu√≠mica se ha de llevar a cabo peri√≥dicamente para complementar la limpieza f√≠sica y as√≠ eliminar el ensuciamiento irreversible. Se pueden diferenciar distintos tipos seg√ļn su intensidad:

  • Contralavado qu√≠mico (diario)
  • Limpieza de mantenimiento (semanal)
  • Limpieza intensiva (semestral)

Acciones Preventivas:

  • Mejorar las propiedades anti-suciedad de la membrana: muy porosas y con car√°cter hidrof√≠lico.
  • Optimizar las condiciones de operaci√≥n: mantener las variables de operaci√≥n (TRH, TRC, Flujo de permeado, Aireaci√≥n, flujo cruzado) controladas para limitar el ensuciamiento, mediante los siguientes m√©todos: sistemas de control de la retroalimentaci√≥n, reducci√≥n del flujo de permeado, aumento de la aireaci√≥n (sin llegar al valor cr√≠tico), pretratamiento del agua a tratar.
  • Preparar la biomasa para reducir la capacidad de ensuciamiento: las caracter√≠sticas de la biomasa bioqu√≠micamente a trav√©s del control del Tiempo de Retenci√≥n Celular (TRC) o qu√≠micamente (con la adici√≥n 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 m√°s adecuada debe tener una superficie hidrof√≠lica con un tama√Īo de poro peque√Īo y uniforme. Debe operar a flujos de permeado moderados, con aireaci√≥n y una velocidad de flujo cruzado de 0,5 a 3 m/s.

Tambi√©n son necesarios TRH altos y TRC de 20 a 50 d√≠as. Hay que procurar temperaturas de 25 a 30 ¬ļ C y concentraciones de ox√≠geno disuelto de 1 -2 ppm. En resumen, hay que evitar situaciones de estr√©s para la biomasa que provoquen concentraciones elevadas de SPEL y PMS en el medio.