Membrane Biological Reactor (MBR)

El proceso denominado MBR tuvo sus primeras experiencias en la década del ´80. La primera membrana a escala industrial fue la placa plana en 1991. Algunos años después, se desarrollaron las membranas de fibra hueca. Actualmente es un proceso ampliamente utilizado a nivel global para el tratamiento de efluentes industriales y municipales.

MBR significa reactor de biomembranas o membrane biological reactor y es la combinación de un tratamiento biológico como el lodo activado y la separación solido-liquido mediante membranas microfiltración o ultrafiltración. El verdadero cambio disruptivo que ha generado este proceso, es el reemplazo del decantador secundario utilizado en todos los lodos activados. Esto permite, por lo tanto, operar el sistema con una concentración de solidos suspendidos en licor mezcla más elevada (≥ 8.000 mg/l) y, por lo tanto, reducir considerablemente el volumen del reactor biológico y mejorar sustancialmente la calidad de agua tratada.

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En resumen, las ventajas principales de un tratamiento de reactores de biomembranas son las siguientes:

  • Alta calidad de agua tratada: las membranas pueden ser de ultra o micro filtración alcanzando valores de agua tratada muy superiores a un barro activado. Incluso puede instalarse una etapa terciaria de osmosis inversa de ser requerido.
  • Espacio requerido: la concentración de solidos suspendidos en el licor mezcla (SSLM) en un proceso de MBR es en general 8.000 – 12.000 mg/l reduciendo el volumen necesario de aireación por lo menos en un 40 – 50 %. Los costos de obra civil son considerablemente menores.
  • Menor generación de lodos: operar con sólidos suspendidos en licor mezcla tan altos implica un valor de F/M bajo. La consecuencia es la operación en niveles de aireación extendida y por lo tanto menor generación de lodos.
  • Fácil adaptación de un barro activado a un reactor de biomembranas
  • Operación simple: dado que la filtración se realiza con membranas no hay requerimientos para la decantación del fango. De este modo no hay necesidad de clarificadores secundarios o filtros de afino. El fango es desechado directamente del tanque de aireación a una concentración de sólidos en un rango de 0,8 – 1,0 %. El resultado es un sistema simple, que se opera de una forma sencilla.
  • Proceso más estable y robusto: un proceso MBR opera típicamente a índices de carga orgánica bajos, y que las membranas proporcionan una barrera para las partículas, la calidad del efluente no es susceptible a los aumentos de contaminación orgánica o hidráulicos, los cuales pueden afectar negativamente la calidad del efluente en plantas convencionales.
  • Facilidad para aumento de capacidad

Las membranas pueden ser instaladas sumergidas en el reactor biológico o en una cámara independiente. También existen fabricantes de membranas externas no sumergidas de flujo cruzado. Las principales membranas comercializadas a nivel mundial son sumergidas y difieren según tipo:

  • Fibra hueca (hollow fiber)
  • Placa plana (flat sheet)

Fibra Hueca

Diseño de la membrana

membrane-biological-reactor-3En términos generales las membranas de fibra hueca son de ultrafiltración con un poro nominal de 0.04 μm.

La membrana es fabricada y ensamblada dentro de unidades llamadas “módulos”. Estos son las unidades básicas del sistema de membrana que forman un “cassette”.

El cassette puede contener hasta 48 módulos. Cada módulo tiene un área de membrana de 31,58 m2, para un total de área de membrana de 1.517 m2 para el cassette más grande.

Los cassettes de membranas están sumergidos directamente en el licor mezcla en compartimentos (tanques) de membrana separados. Una serie de cassettes conectados al colector común de permeado, el cual a su vez está conectado al lado de succión de la bomba de permeado, recibe el nombre de “tren de membranas”. La bomba de permeado aplica un pequeño vacío al colector de permeado para dirigir el agua desde el exterior al interior de las fibras de membranas, dejando los sólidos del licor mezcla en la parte exterior de la membrana.

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Aireación de la membrana

Una aireación de burbuja especialmente diseñada y de alta eficiencia es usada para limpiar la superficie exterior de las membranas y desprender los sólidos del licor mezcla de las fibras. Esto se ha conseguido por un sistema de aireación cíclica que usa una rejilla para la aireación de burbuja gruesa integrada en la base de cada cassette.

La aireación de las membranas proporciona también una parte de los requerimientos de oxígeno del proceso biológico, siendo el resto suministrado por un eficiente sistema de aireación de burbuja fina.

Descripción de la Operación

La membrana opera con un ciclo repetido de filtración. Este ciclo consiste en “filtrar” agua limpia desde fuera hacia dentro a través de la membrana seguido por un corto periodo de retropulso sin químicos (invirtiendo el flujo a través de las membranas) o de relajación (sin flujo alguno).

Filtración o Producción

La filtración, o proceso de permeado, consiste en conducir el agua limpia desde el licor mezcla a través de las fibras de membranas por la bomba de permeado y luego descargarlo en la tubería común. Por norma general, el agua es producida desde cada tren en periodos de 10 a 15 min, seguido de un periodo de retropulso y relajación de 30 a 60 segundos. Esta frecuencia y su duración pueden variar dependiendo de la aplicación y del tipo de agua.

Retrolavado Y Relajación

El sistema de membranas tiene la habilidad de operar en cualquiera de los modos de relajación o retropulso. Durante el modo de retropulso, las membranas se limpian con agua desde fuera hacia adentro durante 30-60 segundos cada 10-15 minutos (Esta frecuencia y su duración pueden variar dependiendo de la aplicación y del tipo de agua). El agua usada para el retropulso es el permeado almacenado en el tanque de retrolavado. Durante la relajación, el retropulso no es utilizado. En cambio, las membranas son aireadas sin llevar permeado por 30-60 segundos cada 10- 15 min.

El modo de relajación tiene lugar cuando no hay filtración, mientras el resto de las funciones (aireación, recirculación) continúan. Este periodo de relajación permite a la membrana airearse y limpiar su superficie. Este es el modo de energía más eficiente. En general, no será necesario recurrir a lavado con retropulsado regularmente. El sistema de retropulso es utilizado básicamente durante la limpieza de la membrana (mantenimiento y recuperación).

Limpiezas De Recuperación

La limpieza de recuperación es necesaria para restablecer la permeabilidad de la membrana cuando la membrana se ensucia. Por norma general, se debe iniciar una limpieza de recuperación si la permeabilidad disminuye a un valor menor al 50% de la permeabilidad inicial o menor a 62 lmh/bar, lo que primero ocurra. Esto suele tener lugar cuando la presión transmembrana (TMP) supera sistemáticamente 0.35 bar (vacío) en condiciones de flujo medio. Los productos químicos utilizados normalmente para la limpieza son hipoclorito sódico (NaOCl) para la eliminación de suciedad orgánica y ácido cítrico para la eliminación de contaminantes inorgánicos. Los cassettes se limpian in-situ, cada vez un tren. El tren que se va a limpiar se aísla del resto del sistema, se detiene el proceso de filtración del tren, pero la aireación continúa durante un tiempo de modo que se separen los sólidos de las fibras de las membranas. El licor mezcla en el tanque de membrana se conduce al tanque de distribución del biorreactor a través de la tubería de recirculación de fangos.

Para realizar la limpieza, se llena el tanque de membranas con el permeado y se drena para lavar los lodos residuales del tanque. Los productos químicos de limpieza (solución de limpieza) se bombean dentro del tanque a través de las membranas y, finalmente, el permeado se utiliza para llenar por completo el tanque de membranas hasta sumergir las fibras. Las membranas permanecen sumergidas con la disolución de limpieza por un periodo que puede variar entre las 6 y 12 horas, dependiendo de las condiciones.

Al final de la limpieza, el nivel del tanque de membranas será aprox. 25 – 38 cm menor que el nivel normal de operación. Para neutralizar la disolución de limpieza, se permite la entrada del licor mixto dentro del tanque y el contenido es aireado para que se mezcle. Este proceso dura aproximadamente 30 minutos y, una vez que se completa, el tren vuelve a conectarse.

Por norma general, se recomiendan dos (2) limpiezas de recuperación por año con hipoclorito sódico (1.000 mg/L como Cloro libre) y dos (2) limpiezas por año con ácido cítrico (2.000 mg/L). Cuando la planta esté en operación esta frecuencia de limpieza se puede modificar, dependiendo de las condiciones reales.

Limpieza De Mantenimiento

El objetivo de las limpiezas de mantenimiento regulares es incrementar el intervalo entre las limpiezas de recuperación. El procedimiento para la limpieza de mantenimiento está completamente automatizado y está controlado por el operador.

Para proceder a la limpieza de mantenimiento, se aísla el tanque de membranas, se detiene la recirculación y se airea el tren por un periodo de 2 a 5 minutos. Durante un periodo de 45 minutos, se bombean una disolución de aproximadamente 100 – 200 mg/l de cloro libre (producto base hipoclorito sódico) o 2.000 mg/l de ácido cítrico, a través de las membranas en pulsos regulares seguidos de un aclarado de agua limpia (permeado) al final. Las limpiezas de mantenimiento con hipoclorito, y dependiendo de la aplicación, se realizarán normalmente una (1) vez a la semana.

En aguas residuales urbanas normalmente no se realizan limpiezas de mantenimiento con ácido cítrico, en cambio para MBR industriales si se suele realizar una limpieza por semana.

Una vez que el sistema se pone en marcha, la frecuencia de limpieza se puede optimizar.

Cuando la limpieza de mantenimiento se ha completado, se vuelve a abrir la entrada de agua, se reanuda la recirculación y el tren entra en servicio.

Placa Plana o Flat Sheet

MBR Kubota Esp

Cartucho de Membrana

El área del cartucho de placa plana puede ser 0,8 o 1,45 m2. Consiste en dos hojas de membrana soldadas a un soporte de ABS mediante un efectivo sistema de soldado por ultrasonido. Entre las membranas y el soporte de ABS descansa un espaciador que potencia el flujo del permeado dentro del cartucho. El cartucho incluye 1 boquilla de aspiración de permeado.

La membrana está hecha de polietileno clorado sobre un sustrato con estructura muy fuerte y no tejida. El tamaño de poro medio y máximo son 0,2 y 0,4 μm respectivamente (rango de micro filtración: 0,1-10 μm). Lo que permite la eliminación de las bacterias y material coloidal. Sin embargo, debido a la formación de una capa dinámica de proteína y de material celular en la superficie de la membrana durante el funcionamiento, el tamaño efectivo del poro se sitúa dentro del rango de la ultrafiltración. Permitiendo así la eliminación de elementos inferiores al tamaño del poro como virus y reduciendo la presión de operación.

Todos los cartuchos de membrana encajan de forma sólida en el interior de las carcasas de membranas con una separación de 7 mm entre ellos. En combinación con la limpieza constante mediante aireación, ésta disposición de los cartuchos impide la formación de tortas de lodo sobre la superficie de las membranas.

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Tubos de Permeado y Manifold

Los tubos de permeado de poliuretano recogen el permeado desde las boquillas de aspiración en el lateral de cada cartucho de membrana y lo llevan a un colector (manifold) común en el cual todos los cartuchos se conectan en paralelo. Los tubos de permeado pueden desconectase por separado permitiendo así sacar uno por uno los cartuchos de membrana para labores de mantenimiento. Por lo tanto, se trata de un sistema completamente modular y versátil.

Difusor de Membrana

El diseño del módulo asegura el paso del aire sobre la superficie de las membranas generando un barrido ascensional de la biomasa entre los cartuchos y sobre la superficie de la membrana. De esta forma se genera el denominado flujo transversal (la dirección del flujo de biomasa forma un ángulo de 90º con la dirección del flujo de permeado) que es una efectiva medida de control del ensuciamiento. El difusor se compone de una tubería central de la que parten otras veinte más pequeñas, cada una de ellas con 5 orificios en la parte superior. Las principales funciones de la aireación de las membranas son:

  • Proporcionar una medida física de control del ensuciamiento de la membrana
  • Mezclar el lodo dentro del reactor
  • Aporte de oxígeno para bacterias

El sistema incorpora la limpieza automática de los difusores de los módulos para asegurar una aireación y limpieza física de las membranas efectivas. La limpieza del difusor se realiza diariamente mediante la apertura de la válvula en el colector de salida de aire durante 5 minutos. Esto genera un efecto Venturi que impulsa por el colector de salida de aire una mezcla aire-fango que arrastra cualquier obstrucción en la tubería u orificios.

CIP: Limpieza Química in situ de Cartucho de Membrana

Para mantener el rendimiento de las membranas es suficiente con llevar a cabo limpiezas químicas in-situ, denominadas CIP (Clean-In-Place). La frecuencia de dichas limpiezas es de 3-4 meses. En la práctica, la necesidad de una limpieza viene determinada mediante la medición de la presión transmembrana (TMP). Cuando se observa un incremento de la TMP de 5 a 10 kPa con respecto al valor inicial, se recomienda realizar un CIP.

Para realizar la limpieza no es necesario rellenar el tanque con soluciones químicas, sacar las membranas del reactor o vaciar el reactor. El CIP típicamente consiste en dosificar en el colector de permeado una solución de hipoclorito sódico diluido (0.5% m/v) para eliminar la película biológica que se adhiere a la misma. En caso de incrustaciones inorgánicas se debe realizar un lavado con ácido cítrico.

La dosificación de la solución de limpieza se hace en un periodo corto de tiempo (15-20 minutos) por bombeo y en contracorriente a través del colector general de permeado. Una vez dosificada la cantidad recomendada, se deja el sistema en reposo durante aproximadamente 2-3 horas para asegurar la recuperación de la permeabilidad. Pasado este tiempo el sistema está listo para entrar en funcionamiento nuevamente. Es importante repetir que esta operatoria se realiza con una frecuencia de 2-4 meses.

En el caso de ensuciamiento por materia inorgánica, se suele utilizar una solución ácida en lugar de hipoclorito sódico. Ácido cítrico (0.5-1,0%) o ácido clorhídrico (>2.0%) se emplean en caso de que el ensuciamiento esté asociado al calcio (dureza). En caso de ensuciamiento asociado a Ca, no debe usarse ácido oxálico. El tanque y bomba de dosificación del compuesto se utiliza para ambos productos químicos.

Tipos de filtrado

Filtrado por Gravedad. En esta modalidad, una pequeña presión hidrostática (mínimo de 0,5 m) por encima del módulo de la membrana, es suficiente para realizar el proceso de filtrado. La ventaja principal es la reducción en capital y costos operativos (ya que no se requieren bombas o válvulas de flujo constante). El mantenimiento de la planta incluso es más fácil, y tanto la calidad de filtrado como el caudal pueden ser chequeados por separado en cada módulo. La desventaja es que la operatividad de la planta dependerá en este caso del perfil hidráulico como también del grado de suciedad de la membrana.

Filtrado por Succión. Esta modalidad implica el uso de bombas de succión del lado del filtrado, y es adecuado para aplicaciones de acondicionamiento o cuando la presión hidrostática es insuficiente para realizar el filtrado.

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