Análisis del ensuciamiento de membranas en biorreactores de membranas sumergidas escala piloto

Résumé

La investigación realizada en el presente trabajo forma parte del Proyecto Generación de recursos hídricos de calidad mediante procesos de membrana (NF-MBR/NF) del Ministerio de Educación y Ciencia, con referencia CTQ200766780 y ha sido también parcialmente financiada por el proyecto Eliminación de microcontaminantes orgánicos con tecnología MBR asociada a nanofiltración del Ministerio de Medio Ambiente, con referencia 124/SGTB/2007/3.1. Se ha desarrollado en las instalaciones del Instituto del Agua y de las Ciencias Ambientales de la Universidad de Alicante. La tecnología de biorreactores de membrana (MBR) comprende la combinación del sistema convencional de lodos activados con la filtración mediante membranas obteniendo un permeado de alta calidad. Algunas de las ventajas más destacadas de la tecnología MBR frente a la de lodos activados son el menor tamaño de la instalación, la elevada tasa de degradación de los contaminantes, la menor producción de lodos y la citada calidad del efluente. Sin embargo, esta tecnología presenta algunas limitaciones que impiden su mayor difusión. La principal es el ensuciamiento de membranas, incidiendo tanto a nivel operacional como a nivel de costes. Dicho ensuciamiento produce una disminución en el caudal de filtrado, lo que conlleva ciclos de limpieza más frecuentes, aumentando los costes operacionales del sistema. El principal objetivo de la presente investigación es estudiar el ensuciamiento de membranas en dos MBRs escala piloto de membrana plana sumergida, realizando una caracterización físico-química tanto de los parámetros asociados al licor mezcla como de los EPS (Extracellular Polymeric Substances), que son considerados los principales responsables del ensuciamiento de membranas. El objetivo principal se ha desglosado en los siguientes objetivos específicos: - Análisis de la influencia de la carga de alimento sobre la producción de biomasa, frecuencia de limpieza de membranas y eficiencia de eliminación de materia orgánica. - Estudio de la evolución de las variables físico-químicas (viscosidad, sedimentabilidad, filtrabilidad y tamaño de partícula) asociadas al licor mezcla con la concentración de sólidos en suspensión (SS) y su relación con los EPS. - Cuantificación y caracterización de los EPS utilizando técnicas para la determinación de los compuestos químicos incluidos en su composición, como la espectroscopía fluorescente 3D y la cromatografía por exclusión de tamaños. - Evaluación del ensuciamiento analizando los ciclos de limpieza necesarios durante el desarrollo experimental. Valoración de la influencia del licor mezcla en su conjunto, sólidos en suspensión y sobrenadante sobre el ensuciamiento y correlación del ensuciamiento con el modelo de filtración en torta. Correlación estadística del ensuciamiento de las membranas con los parámetros estudiados. El montaje experimental consistió en dos MBRs de membranas planas sumergidas de igual área de filtración (0.116 m2), idénticos en diseño, pero con membranas de diferente composición. Uno de los MBRs trabajó con membrana de microfiltración (MF-MBR) de 0.4 micras (Kubota) y el otro con una de ultrafiltración (UF-MBR) de 0.08 micras (Toray). El volumen útil de cada MBR fue de 25 L y se diseñaron para extraer un caudal de permeado de 2 L/h. Las plantas estuvieron controladas automáticamente, con registro continuo de la presión transmembrana (PTM) y otros parámetros. Para el análisis de la calidad del influente y permeado se determinaron los parámetros de DQO, NT, N-NH4, N-NO3, PT, pH y conductividad. La evolución del licor mezcla se estudió a través de la determinación de SS, SSV, viscosidad, sedimentabilidad, filtrabilidad, tamaño de partícula, actividad respirométrica, EPS, pH y conductividad. La memoria está dividida en 7 capítulos y adicionalmente cuenta con un apartado de Anexos. En el Capítulo 1, Resumen, (presente capítulo) se hace un resumen del trabajo realizado. En el Capítulo 2, Introducción, se presenta una amplia búsqueda bibliográfica relacionada con la presente investigación, incluyendo fundamentalmente artículos de reciente publicación. En el Capítulo 3, Objetivos y alcance de la investigación, se menciona el objetivo principal y los específicos, así como las diferentes fases de experimentación que se han llevado a cabo. El Capítulo 4, Materiales y métodos, describe detalladamente el montaje experimental, las técnicas analíticas utilizadas y la metodología de trabajo. El Capítulo 5, Resultados y discusión, muestra los resultados obtenidos en esta investigación, así como la discusión de los mismos. Se encuentra dividido en 3 apartados: Apartado 1: Puesta a punto de técnica analíticas. Este apartado resume los principales resultados obtenidos durante la investigación tutelada para la obtención del Diploma de Estudios Avanzados (DEA). Se han puesto a punto diversas técnicas de cuantificación, extracción y caracterización de EPS. Los resultados derivados de este apartado han sido publicados recientemente: - Domínguez, L., Rodríguez, M., Prats, D. Effect of different extraction methods on bound EPS from MBR sludges. Part I: Influence of extraction methods over three-dimensional EEM fluorescence spectroscopy fingerprint, Desalination 261 (1-2), 19-26 (2010). - Domínguez, L., Rodríguez, M., Prats, D. Effect of different extraction methods on bound EPS from MBR sludges. Part II: Influence of extraction methods over molecular weight distribution, Desalination 261(1-3), 106-109 (2010). Apartado 2: Influencia de la carga de alimentación en la puesta en marcha y operación del sistema de MBRs. En este apartado se estudió la influencia de la carga de alimentación en los MBRs (3 cargas diferentes) sobre el crecimiento de la biomasa, ciclos de filtración y limpieza de las membranas, y eficiencia de degradación de materia orgánica y nutrientes. La discusión de todos los resultados incluye la comparación entre ambas membranas. - Los resultados mostraron una mayor velocidad de crecimiento de la biomasa a mayor carga volumétrica de entrada en ambos MBRs, tendiendo a un estado estacionario con un mismo valor de carga másica, independientemente de la carga volumétrica de entrada (excepto a baja carga). - La frecuencia de limpieza disminuyó con el aumento de la carga de entrada en ambos MBRs. El MF-MBR trabajó mejor en prolongados períodos de operación y a altas concentraciones de SS, mientras que el UF-MBR mantuvo mayores permeabilidades a bajas concentraciones de SS. - El rendimiento de eliminación de materia orgánica aumentó con el aumento de la carga de entrada, alcanzando eficiencias mayores del 95 %. Esto demostró la capacidad de esta tecnología para trabajar adecuadamente a diferentes cargas de entrada. El porcentaje de eliminación de nutrientes en ambos MBRs fue baja, ya que no se contaba con un sistema alternado aerobio-anaerobio. Apartado 3: Influencia de diversos parámetros en la operación del sistema de MBRs a carga de alimentación constante. En este apartado se estudiaron varios aspectos relacionados con la operación de los MBRs, que incluyen la evolución de la biomasa en el tiempo, la eficiencia de degradación de materia orgánica y nutrientes, la operatividad del sistema en cuanto a ciclos de filtración y limpieza, la influencia de la concentración de SS y EPS sobre varios parámetros asociados a la biomasa y la cuantificación y análisis general del ensuciamiento de las membranas. Adicionalmente, se realizó un análisis detallado de la evolución de los EPS en función de la concentración de SS y se caracterizaron mediante cromatografía por exclusión de tamaños y espectroscopía de fluorescencia 3D. La discusión de todos los resultados incluye la comparación entre ambas membranas. Los principales resultados encontrados en esta fase de experimentación se mencionan a continuación: - La biomasa no mostró un detrimento visible en su concentración de SS a pesar de algunos fallos ocurridos en el sistema. El MF-MBR tuvo una mayor tasa de crecimiento celular. Los valores de descomposición endógena en ambos MBRs resultaron ser altos probablemente debido a la limitación de sustrato y a las altas edades de fango. - La eficiencia de degradación de materia orgánica fue elevada en ambos MBRs, a pesar de los altos coeficientes de descomposición endógena, lo que demuestra la robustez y capacidad de este tipo de tecnología para tratar aguas residuales. En ninguno de los efluentes de los MBRs se encontró SS, por lo que la separación sólido-líquido mediante ambas membranas fue totalmente efectiva. - Los EPS totales se determinaron a medida que creció la biomasa mediante la suma de las concentraciones de proteínas, carbohidratos y ácidos húmicos. Se distinguió entre los dos tipos de EPS: solubles (obtenidos mediante centrifugación) y enlazados (extraídos con resina catiónica). La concentración de EPS enlazados por litro de biomasa aumentó con el incremento de la concentración de SS en el licor mezcla. Sin embargo, la concentración de EPS solubles en el MF-MBR disminuyó y en el UF-MBR el comportamiento no tuvo una tendencia definida. - Los EPS enlazados en ambos MBRs, estuvieron constituidos por un 44-46 % de proteínas, un 29-32 % de sustancias húmicas y un 24-25 % de carbohidratos. Sin embargo, para los EPS solubles las proteínas aparecieron en menor cuantía, aunque no hubo mucha diferencia entre las cantidades encontradas de los tres componentes. - La espectroscopía fluorescente se utilizó para caracterizar los extractos de EPS obtenidos a diferentes concentraciones de SS. Los espectros de fluorescencia de los EPS enlazados mostraron 2 picos a todas las concentraciones de SS estudiadas en ambos MBRs. Estuvieron asociados a sustancias microbianas solubles y a proteínas aromáticas. En el caso de los EPS solubles, los 2 picos encontrados estuvieron asociados a ácidos húmicos y fúlvicos. Además de la información que brinda esta técnica acerca del tipo de sustancia que constituye los EPS, proporciona los valores de intensidad de los picos. En este trabajo se ha encontrado que la intensidad de los picos de EPS enlazados aumentó a medida que aumentó la concentración de SS y la concentración de proteínas, en ambos MBRs. En el caso de los EPS solubles, la intensidad de los picos de ambos MBRs tuvo la misma tendencia que la concentración de ácidos húmicos, pero no se encontró relación alguna con la concentración de SS. - Se estudió la distribución de pesos moleculares y los pesos moleculares promedios de los extractos de EPS obtenidos a diferentes concentraciones de SS. Los resultados mostraron que a medida que aumentó la concentración de SS en ambos MBRs, la intensidad de los picos más claramente definidos de los EPS enlazados también aumentó. En el MF-MBR, el peso molecular promedio aumentó al aumentar la concentración de SS, pero en el UF-MBR no se encontró una tendencia regular. - Por otro lado, se determinó la influencia de la concentración de SS y de los EPS sobre la sedimentabilidad, viscosidad, filtrabilidad y tamaño de partícula del licor mezcla. La sedimentabilidad empeoró y la viscosidad aumentó con el aumento de la concentración de SS y de EPS enlazados en ambos MBRs. Sin embargo, para los EPS solubles el comportamiento fue totalmente contrario. - La filtrabilidad del lodo de ambos MBRs fue buena, aunque es recomendable trabajar a valores de concentración de SS menores de 12 g/L, ya que la filtrabilidad decrece solo hasta un 50 % de su valor máximo. - El tamaño medio de partículas fue mayor en el MF-MBR que en el UF-MBR para todas las concentraciones de SS estudiadas. Se encontraron tamaños medios de flóculo mayores, a altas concentraciones de EPS enlazados en ambos MBRs. - Con respecto al funcionamiento del sistema y ciclos de limpieza se pudo comprobar que la frecuencia de limpieza disminuyó con el aumento de la edad del fango y de la concentración de SS. El MF-MBR solo necesitó 3 limpiezas químicas suaves en más de 5 meses de operación. Sin embargo el UF-MBR, además de 9 limpiezas suaves, necesitó 2 limpiezas químicas intensivas. - Por otra parte, se realizaron diferentes experimentos de filtración en discontinuo, utilizando las mismas membranas de los MBRs, para cuantificar el ensuciamiento de membranas. Primeramente se realizaron filtraciones de licor mezcla, coloides + solubles (sobrenadante obtenido del licor mezcla por centrifugación) y sólidos (fracción sólida obtenida de la centrifugación) para estudiar la resistencia de cada una en función de la concentración de SS del licor mezcla y de los EPS. Posteriormente, los datos obtenidos se ajustaron al modelo matemático de Hermia. En base a los resultados obtenidos se calcularon los coeficientes de compresibilidad de la torta filtrando licor mezcla de ambos MBRs a 4 PTMs diferentes. - La resistencia de filtración de los coloides + solubles, sólidos y licor mezcla disminuyó a medida que aumentó la concentración de SS en ambas membranas. A bajas concentraciones de EPS enlazados y EPS totales se encontraron las mayores resistencias de filtración. La resistencia a la filtración aumentó con el aumento de la concentración de EPS solubles para la membrana de MF. - Los mejores ajustes al modelo matemático de Hermia, para las tres fracciones estudiadas, y para todas las concentraciones de SS analizadas, fue el de formación de torta seguida al de bloqueo estándar. - Los coeficientes de compresibilidad en ambas membranas fueron similares e indican que las tortas formadas por el licor mezcla son muy compresibles. - El análisis estadístico se utilizó para correlacionar el ensuciamiento de membranas con los parámetros estudiados (además de correlacionar los parámetros entre sí). Se determinó que el ensuciamiento de membranas estuvo influenciado fundamentalmente por la edad de lodo, el tamaño de partícula, los EPS solubles (en el MF-MBR) y los EPS enlazados (en el UF-MBR). En el Capítulo 6, Conclusiones y recomendaciones, se mencionan las conclusiones más importantes obtenidas en cada fase de experimentación, y se sugieren algunas recomendaciones de posibles estudios futuros sobre esta temática. El Capítulo 7, Referencias bibliográficas, contiene las referencias consultadas durante la investigación.