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Ensuciamiento de las membranas en el tratamiento de aguas residuales

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: las características propias de la membrana, el modo de operación y las 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.

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 de 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 oxigeno 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 esta 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 critico, 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 oxigeno disuelto y nitrato en el medio.

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 ºC y concentraciones de oxigeno 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.

ensuciamiento de membranas

Tratamiento para la eliminación del color en aguas residuales de la industria textil

efluente agua textilLa industria textil se caracteriza porque su actividad requiere un elevado consumo de agua, energía y productos químicos auxiliares. Esto se traduce en la generación de una gran cantidad de agua residual, con elevadas concentraciones de colorantes, contaminantes orgánicos biodegradables y refractarios, materias en suspensión, tensioactivos, sales y compuestos clorados. Además, puesto que en la gran mayoría de los casos, la producción es discontinua, existe una gran variabilidad en la cantidad y la naturaleza de la contaminación de las aguas residuales generadas. Estas características hacen que sea un efluente industrial de difícil tratamiento.

Los requerimientos normativos, así como la necesidad de ahorrar energía y reutilizar el agua en la industria, hacen necesario que se desarrollen nuevos procesos que permitan eliminar la contaminación del agua a la vez que posibiliten la reincorporación del efluente en el proceso productivo.

Uno de los parámetros que requiere mayor esfuerzo para su eliminación –con unos costes razonables– es el color. Los colorantes no suelen ser tóxicos, pero sí muy poco biodegradables. En una EDAR urbana se estima que sólo se elimina el 20%-30% del color del afluente. Además, los colorantes se manifiestan en el agua a muy pequeñas concentraciones, por lo que el rendimiento de eliminación deberá ser muy elevado.

Tradicionalmente se han aplicado diversas tecnologías basadas en tratamientos físico-químicos para la eliminación del color de los efluentes textiles. No obstante, existen otras posibilidades que se van abriendo paso en función del tipo de colorante a eliminar. A continuación se repasan las técnicas que, según el caso concreto, pueden ser utilizadas para tratar el color en el agua residual, indicando sus ventajas e inconvenientes:

  1. Coagulación-floculación: se basa en la adición de polielectrolitos o floculantes inorgánicos (sales de hierro o aluminio), que forman flóculos con las moléculas de colorante facilitando su eliminación por decantación. Las eficacias de eliminación son altas, pero en el proceso se generan lodos que deben ser tratados. Los mejores rendimientos se logran al aplicar un exceso de coagulante, aunque esto puede aumentar la concentración de contaminante en el efluente.
  2. Proceso Fenton: se oxida el colorante con una combinación de peróxido de hidrógeno y sulfato ferroso (reactivo Fenton), en condiciones ácidas. El agente responsable de la oxidación es el radical hidroxilo, el cual es muy reactivo; se forma por la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno en un medio ácido. Los radicales hidroxilo oxidan el tinte, y el compuesto formado, precipita con el ion férrico y compuestos orgánicos. Las ventajas de esta alternativa son varias: se consiguen altas velocidades de decoloración si las concentraciones de los reactivos implicados son elevadas, no se forman compuestos clorados como en otras técnicas oxidantes y no existen limitaciones de transferencia de masa por tratarse de un sistema homogéneo. Sin embargo, sus principales desventajas son los costes asociados al tratamiento de lodos (se genera una gran cantidad de lodos poco densos y, por consiguiente, difíciles de decantar) y a los costes de los reactivos (se requiere la adición continua y estequiométrica de Fe(II) y H2O2).
  3. Ozonización: se destruyen las moléculas de colorante en base a la elevada capacidad oxidante del ozono. La reacción de oxidación es rápida, se pueden tratar altos caudales, no se generan residuos ni lodos y se obtiene un efluente incoloro y con baja DQO. Sin embargo debe comprobarse la toxicidad del efluente, pues en algunos casos los compuestos generados tienen mayor carácter tóxico que los colorantes de partida. Otra gran desventaja de la ozonización es el corto tiempo de vida media del ozono, entorno a 20 minutos, lo cual repercute significativamente en el coste del proceso. Se ha observado que cuando se complementa la producción de ozono con la adición de peróxido de hidrógeno, se consigue un incremento significativo tanto en la velocidad como en el rendimiento de eliminación.
  4. Tecnología de membranas: permite una separación efectiva de las moléculas de colorante y otros compuestos de tamaño mayor al del poro de la membrana seleccionada. Principalmente se emplean membranas de ósmosis inversa y nanofiltración. Mediante este procedimiento es posible tratar grandes volúmenes de afluente de forma continua y con un alto grado de separación. Los efluentes son de una calidad excelente y en la mayoría de los casos permiten la reutilización del mismo. Las principales desventajas de estas técnicas son la generación de un residuo con una alta concentración de contaminante y la dificultad y coste de substitución de las membranas.
  5. Adsorción: se basa en la retención física de las moléculas de colorante en la superficie del adsorbente que se utilice. La eficacia del proceso de adsorción está influenciada por una gran variedad de parámetros, entre ellos la interacción entre el colorante y el adsorbente, la superficie específica de éste, el tamaño de la molécula de colorante, la temperatura, el pH y el tiempo de contacto. Así pues, es fundamental el tipo de adsorbente elegido. Un adsorbente muy utilizado es el carbón activo, aunque también se emplean otros adsorbentes inorgánicos. Los procesos de adsorción generan efluentes de alta calidad, aunque presentan una serie de desventajas que los hace no competitivos para el tratamiento de efluentes coloreados: son procesos lentos; no selectivos, de manera que hay una competición entre las moléculas de tinte y otros compuestos presentes en el efluente; no destructivos, generándose un residuo que debe ser eliminado; la desorción es un proceso difícil y costoso y, por último, los adsorbentes suelen ser caros.
  6. Técnicas electroquímicas: se basan en la hidrólisis del colorante a través de agentes secundarios generados electrolíticamente mediante la aplicación de un potencial. Los procesos son limpios, operan a baja temperatura y en muchos casos no requieren la adición de productos químicos a las aguas residuales. No obstante, su alto consumo de energía y la generación de compuestos secundarios por reacciones paralelas disminuyen la potencialidad del método.
  7. vii) Procesos biotecnológicos: la aplicación de microorganismos a la degradación de aguas que contienen tintes sintéticos es una opción interesante por las ventajas derivadas del tratamiento biológico, ya que son procesos relativamente económicos y pueden permitir la degradación parcial o total de los componentes iniciales. Aunque mediante el proceso convencional de lodos activos, aerobio, no se degrada el colorante y el bajo rendimiento de eliminación se atribuye a la adsorción sobre los lodos. Mediante procesos anaerobios se consiguen elevados rendimientos de eliminación para una gran variedad de colorantes, aunque la cinética del proceso es lenta. Por otro lado, se están desarrollando sistemas en los que el colorante es degradado mediante la acción de enzimas producidas por hongos ligninolíticos en cultivos in vivo e in vitro. Son procesos muy selectivos en los que se alcanzan rendimientos muy elevados. Sin embargo, no son procesos económicos y se están desarrollando para su aplicación en continuo, recuperando las enzimas utilizadas.

El tratamiento de efluentes coloreados es un problema medioambiental que aún no ha sido resuelto satisfactoriamente para obtener, de forma general, un rendimiento elevado mediante un proceso estable, sostenible y económico. La elección de la tecnología más conveniente depende de numerosos factores, como el colorante utilizado, la cantidad y variedad de contaminantes del agua, el caudal vertido, el régimen de producción, etc. En cualquier caso, es absolutamente básico, para garantizar el éxito en la elección de la tecnología y en el diseño del tratamiento, realizar una completa campaña de caracterización del vertido.

Reutilización de lodos extraidos en aguas residuales como fertilizantes

lodos fertilizantesLa depuración de aguas consiste en extraer las sustancias contaminantes, con el fin de obtener agua en condiciones aptas para su consumo (potabilización), o en el caso de aguas residuales para adecuarla a la normativa de vertido vigente. Durante este proceso, que se realiza en plantas depuradoras de aguas residuales, también se generan unos lodos que son reguladas bajo una legislación específica. Estos lodos, a su vez, también pueden ser depurados, lo que permite su reutilización en actividades agrícolas, ya sea como abono o para compostaje.

Su uso está regulado por la Unión Europea a través de una directiva cada vez más restrictiva. Ante un posible endurecimiento, la industria busca alternativas compatibles con los usos actuales, es decir, que permitan seguir dando salida comercial a este subproducto. Pero, hay que tener en cuenta que los lodos provenientes de la depuración de aguas residuales pueden contener gérmenes patógenos y parásitos peligrosos para el ser humano como es el caso de la salmonella, la Escherichia coli , el áscaris, etc. Por ésta razón es imprescindible tratar el lodo antes de ser usado.

Se han publicado estudios que han demostrado que la incorporación de cal viva a estos lodos elimina los patógenos. La adición de cal al lodo reduce olores y el nivel de patógenos al crear un pH alto que es hostil a la actividad biológica. Los gases que se desprenden durante la descomposición anaeróbica de la materia orgánica contienen nitrógeno y azufre y son la fuente principal de malos olores de lodo. Cuando se añade la cal los microorganismos que intervienen en la descomposición son fuertemente inhibidos o destruidos en ese medio fuertemente alcalino. Los patógenos pasan por un proceso similar.

Durante el proceso de tratamiento de lodos mediante cal viva es necesario mantener el pH por arriba de 12, por un tiempo mínimo de 2 horas, para asegurarse la destrucción de los patógenos y proporcionar la suficiente alcalinidad residual para que el pH no descienda a menos de 11. Permitiendo, así, el tiempo suficiente para almacenamiento o disposición del lodo estabilizado. La cantidad de cal necesaria para estabilizar el lodo está determinada por el tiempo del mismo, su composición química y la concentración de sólidos. A grosso modo, el rango va desde el 6 hasta el 51%. Teniendo en cuenta que los lodos primarios son los que menos cantidad de cal requieren y los lodos activados los que mayor cantidad emplean.

Existen otros métodos de tratamiento de lodos, como: la digestión aeróbica y anaeróbica, pero el tratamiento con cal proporciona mayores ventajas a la hora de reutilizarlo, ya que nos da mayor volumen de producto aprovechable además de proporcionarles los terrenos ácidos la neutralización necesaria sin costo extra.

La alta dosificación de cal también afecta a las características físicas y químicas del lodo. Estas reacciones provocan una disminución del nitrógeno, que actúa como limitante para la cantidad de lodo que puede aplicarse al terreno, por lo que permite una mayor cantidad de lodo por unidad de superficie, al mismo tiempo mejora la capacidad de perder humedad y el carácter de los fluidos de líquido secundarios.

Otra ventaja de este sistema es que puede ser una buena alternativa cuando se necesita un respaldo para otro método de tratamiento de lodos, ya que el sistema de estabilización por cal puede iniciarse y finalizarse rápidamente. Por lo que, puede suplementar instalaciones ya existentes cuando el volumen de lodos excede los niveles de diseño, para reemplazar la incineración cuando hay escasez de combustible o cuando se estén llevando a cabo labores de mantenimiento.

Para resumir, este método de tratamiento de lodos es más económico que otros métodos, también constituye un medio eficaz y seguro para eliminación final de los lodos, evitando los riesgos para la salud humana y los daños ambientales. Una vez los lodos han sido tratados y estabilizados pueden ser descargados con toda seguridad. Resultan ideales para la agricultura, ya que su fuerte contenido en cal hace de él un abono de calidad ideal para suelos ácidos, que contiene materias orgánicas y fertilizantes.

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

MBREn  este artículo presentaremos los aspectos de los  biorreactores de membranas (MBRS) que los convierten en  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.

Las principales ventajas del sistema MBRS respecto a  los fangos activos es que consta de instalaciones relativamente pequeñas y que permite obtener un efluente de alta calidad con baja producción de lodos. 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.

Por otra lado el sistema MBRS presente un inconveniente respecto a los fangos activos. Se trata del coste, ya que el ensuciamiento progresivo de la membrana supone un coste de mantenimiento superior a otros sistemas.

Los biorreactores de membranas son la combinación  de un biorreactor, en el que una suspensión concentrada de microorganismos degrada los contaminantes presentes en el agua, y una unidad de filtración por membranas (0.01- 0.04 µm) que separan la biomasa del agua purificada.

Como hemos mencionado la principal ventaja de este innovador sistema es la posibilidad de obtener mejores calidades del efluente ocupando poco espacio, ya que opera con una concentración de biomasa alta, lo  que genera menos lodos.  Otra  ventaja es que proporciona libertad para controlar el proceso, ya que permite la manipulación de los tiempos de residencia hidráulicos y de la biomasa.   Al no funcionar con sedimentos permite que la instalación sea de tamaño reducido y logra una mayor separación que los sistemas anteriores gracias a la tecnología de membranas. Aunque, por otra parte, 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. Por lo que a pesar de la serie de características positivas mencionadas, esta tecnología implica altos costes de prevención y eliminación del ensuciamiento de las membranas que garantizan su funcionamiento optimo.

La permeabidiladad 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  formar 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 polimericas extracelulares que son las responsables del ensuciamiento.

El ensuciamiento del biorreactor puede ser reversible, es decir, puede ser eliminado con una limpieza física,  o puede ser irreversible, es decir, que requiere una limpieza química. Esto depende de la tenacidad con la que la suciedad se une a la membrana. Aunque también existe el ensuciamiento irrecuperable, que no se puede eliminar de ninguna manera, por lo que define la vida útil de la membrana. Toas estos ensuciamiento se dan en distintas etapas del tiempo.

Durante la filtración, el aumento de presióntransmembranar es debido principalmente a la formación de la torta que obstruye la membrana. Esta puede ser eliminada mediante una limpieza física, pero a largo plazo esta limpieza no es capaz de resistir presión tranmembranainicial. Cuando la presión tras la limpieza física supera un valor determinado, se hace una limpieza química. Sin embargo como consecuencia del ensuciamiento irrecuperable la limpieza química tampoco evita el aumento gradual de la presión transmembranar a lo largo de un periodo de años.

Los biorreactores de membranas constan de varias membranas y un birreactor. El modulo 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. Aún 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  nos da la oportunidad de optimizar la aireación del biorreactor para obtener coeficientes de transferencia de oxígeno máximos.

También existe un 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.  Aún así es necesario conocer los mecanismos y componentes del ensuciamiento para un uso y mantenimiento correcto de esta tecnología.