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Aplicacion de membranas dinamicas auto-formantes para el tratamiento biologico de aguas residuales.

APLICATION OF SELF-FORMING DYNAMIC MEMBRANES TO BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT

INTRODUCCION

La tecnologia de lodos activados representa hoy en dia la alternativa mas empleada para el tratamiento biologico de aguas residuales. Consiste basicamente en la combinacion de un biorreactor con un sedimentador. En el primero se produce la transformacion de la materia organica contaminante, y el segundo permite la clarificacion del efluente y la recirculacion de la biomasa al primero. El funcionamiento coordinado de ambas partes resulta necesario para la correcta operacion del sistema de tratamiento. La mayoria de los problemas operacionales que pueden afectar a un sistema de lodos activados estan relacionados con el mal funcionamiento del sedimentador, lo que acarrea, como consecuencia, un alto contenido de solidos biologicos en el efluente tratado [1]. Asi, la sustitucion del sedimentador por una unidad de filtracion por membranas eliminaria una parte importante de los riesgos operacionales, a la vez que proporcionaria un agua tratada de alta calidad. Un biorreactor de membrana (BRM) es precisamente la combinacion de un sistema de biorreaccion con un sistema de filtracion basado en el uso de membranas de micro o ultrafiltracion [2]. Dado que la biomasa es fisicamente retenida, no existe riesgo de lavado de celulas, y la capacidad de conversion del sistema de tratamiento no depende de la formacion de biopeliculas o floculos con buenas propiedades de sedimentacion. Aun cuando el precio de las membranas ha experimentado un descenso notable durante los ultimos 15 anos, aun representa un costo de inversion y operacion importante, determinando la aplicacion de los BRM.

Durante los procesos de filtracion por membranas, la deposicion de particulas sobre la superficie de la membrana, y la consiguiente formacion de un queque de filtracion, es un fenomeno indeseado, dado que aumenta la resistencia y, en consecuencia, la presion de filtracion. Sin embargo, se ha observado que este queque puede cumplir la funcion de membrana secundaria, definiendo en ocasiones las propiedades de retencion del sistema [3, 4]. Tal fenomeno sugeriria la posibilidad de usar un queque de filtracion como una membrana dinamica auto-formante, que permitiria la retencion de los solidos contenidos en la suspension a filtrar [5]. Bajo este esquema, las membranas tradicionales no serian ya necesarias, en la medida en que las propiedades de rechazo estarian definidas por el queque formado por las particulas contenidas en la misma suspension. Es asi como solo se requeriria de un material de soporte que permita la formacion del queque antes descrito. Este concepto ha sido investigado durante los ultimos 5 anos, con resultados promisorios [3, 4, 6-9].

En la presente investigacion se evalua la aplicacion de las membranas dinamicas auto-formantes al tratamiento aerobio de aguas residuales, utilizando mallas de tamizado de 2 aperturas en reemplazo de la unidad de sedimentacion en un sistema de lodo activado convencional.

1 MATERIALES Y METODOS

1.1 Operacion del BRM de laboratorio

Durante la presente investigacion, se opero un BRM de escala laboratorio, compuesto por un biorreactor de 5 L y un modulo de filtracion sumergido (figura 1). El modulo de filtracion estaba constituido por 2 placas paralelas de metacrilato, dispuestas en forma vertical, y separadas 15 mm entre si. Sobre la cara interior de cada placa se dispuso una malla de tamizado de poliester, de manera tal que esta sirviese de soporte para la formacion de la membrana dinamica. El modulo opero de manera tal que el permeado era recolectado en el espacio comprendido entre cada placa y su respectiva malla, el que era luego conducido al exterior del biorreactor por medio de mangueras. El area efectiva de filtracion resultante, considerando ambas placas, fue de 0,03 [m.sup.2]. La presion trans-membrana (PTM), necesaria para promover la filtracion, fue proporcionada por una bomba peristaltica, y monitoreada mediante un sensor de presion ubicado en la linea de permeado. El biorreactor fue operado con aireacion forzada, por medio de la inyeccion de aire ambiente a traves de un difusor poroso localizado en la base del reactor, entre ambos platos. La aireacion fue realizada de manera tal que las burbujas de aire ascendieran por el espacio comprendido entre las placas que conformaban el modulo de filtracion. El flujo de aire aplicado fue monitoreado utilizando un sensor de flujo masico.

[FIGURA 1 OMITIR]

El BRM fue inoculado con lodos provenientes de un sistema de lodos activados existente en una industria cervecera de la zona, y fue alimentado con un agua residual sintetica, cuya composicion se presenta en la tabla 1. La operacion del BRM se dividio en dos etapas, y en cada una de ellas se trabajaron ciclos de operacion diferentes. En la primera se utilizaron mallas de poliester de 20 [micron] de apertura, y en la segunda etapa se reemplazaron por mallas de 100 [micron].

El sistema completo fue monitoreado y controlado utilizando un sistema de adquisicion de datos CompactDaq (de National Instruments) conectado a un PC con software de control programado en LabVIEW 8.6.

La operacion del reactor se baso en periodos sucesivos de formacion de la membrana, de filtracion y de remocion de la misma. Durante la etapa de formacion de membrana el permeado fue retornado al biorreactor, en la medida que se espera la presencia de solidos durante el periodo que tome la formacion de la membrana dinamica. Por su parte, durante la etapa de remocion de la membrana dinamica, se detuvo la filtracion para eliminar la PTM y asi facilitar el desprendimiento de la misma. Los tiempos de cada una de estas etapas fueron 1, 30 y 5 minutos, respectivamente, durante la operacion del BRM con mallas de tamizado de 20 [micron]. Durante la operacion del BRM con mallas de 100 [micron], los tiempos fueron 5, 60 y 1 minutos, respectivamente.

1.2 Determinacion de resistencia especifica del queque

La filtrabilidad del lodo activado fue obtenida usando la resistencia especifica del queque a (m/ kg). Se realizaron experiencias de filtracion por lotes utilizando un embudo de filtracion provisto de una malla de tamizado con una apertura de 20 [micron]m, proporcionando un area de filtracion de 9.62 [cm.sup.2]. El sistema estaba compuesto, ademas, por una bomba peristaltica para proporcionar un flujo de permeado constante y un sensor de presion para registrar la PTM. La resistencia especifica del queque fue evaluada aplicando la ecuacion de filtracion [8, 9] representada en la ecuacion 1.

dV/dt = [DELTA]P x 2[A.sup.2]/[alfa] x [C.sub.b] x [mu] x V + [DELTA]P x A/[mu] x [R.sub.M]

donde:

[DELTA]P representa la PTM

V el volumen de filtrado

[alfa] la resistencia especifica del queque

[C.sub.b] la concentracion de la suspension a filtrar

[mu] la viscosidad del filtrado

A el area de filtracion

[R.sub.M] la resistencia del medio filtrante (malla de tamizado).

Considerando filtracion a flujo constante, es posible despejar la PTM, como se ilustra en la ecuacion 2.

[DELTA]P = [alfa] x [C.sub.b] x [mu] x J/2A x V + [mu] x [R.sub.M] x J (2)

donde:

J representa el flujo de permeado.

Por lo tanto, a puede determinarse evaluando la pendiente de AP en funcion de V, para una filtracion realizada a J constante. La determinacion de a se realizo formando un queque de filtracion sobre una malla de 20 [micron]m, filtrando 50 mL de lodo. Una vez formado el queque, se procedio a filtrar agua a diferentes valores de flujo, registrando la presion de filtracion.

1.3 Analisis

Demanda quimica de oxigeno (DQO), solidos totales y volatiles (SST, SSV) fueron determinados de acuerdo con metodos estandar 5520D y 2540D [10]. La turbidez fue determinada utilizando turbidimetro (Hanna Instruments HI93703) y bajo metodo normalizado APHA 2130A [10].

2 RESULTADOS

La figura 2 presenta un ensayo de filtracion batch para la determinacion de [alfa], utilizando lodo de inoculo del BRM. Se obtuvo un valor para [alfa] de 7x[10.sup.11] m/kg, superior al rango 7,1x[10.sup.8] - 1,6x[10.sup.10] m/kg reportado por [11], pero en el rango de otros resultados reportados en literatura para este tipo de reactores [12, 13]. Liu et al. [8] analizan la evolucion del valor de [alfa] en las distintas etapas de formacion de la membrana biologica, reportando 3,53x[10.sup.15] m/kg durante la etapa de filtracion. La linealidad de la curva presentada en la figura 2 sugiere un bajo nivel de compresibilidad, en el rango de presion analizado. Un bajo valor de a es una condicion necesaria para poder operar un sistema basado en membranas dinamicas, en la medida en que permite la formacion de un queque que ofrece una reducida resistencia a la filtracion. Un valor de [alfa] igual a 7x[10.sup.11] m/kg, asumiendo una densidad del queque igual a 1000 kg/[m.sup.3], implica que un queque de filtracion de 2 mm de grosor ofreceria una resistencia igual a 1,4x[10.sup.12] [m.sup.-1]. Para un permeado con una viscosidad similar a la del agua, tal resistencia se traduciria en una PTM de solo 80 mbar para un flux de 20 L/[m.sup.2]h. Esto quiere decir que es posible formar un queque de filtracion de un grosor considerable (1 mm), sin generar una resistencia a la filtracion elevada, condicion necesaria para la operacion de membranas dinamicas auto-formantes.

Como se menciono, el reactor fue operado en forma continua, pero con base a ciclos de filtracion, compuestos por un periodo de formacion de la membrana dinamica, un periodo de filtracion y un periodo de remocion de la misma. La figura 3 presenta una cinetica de reduccion de la turbidez en el permeado, durante un ciclo de formacion de membrana dinamica de 60 min, utilizando una malla de 20 [micron]m sin uso anterior. La formacion del queque de filtracion permite reducir la turbidez del permeado, actuando como una membrana dinamica. Al iniciar el ciclo pueden observarse moderados valores de turbidez, debido a que la membrana dinamica aun no se ha formado, por lo que particulas menores a 20 [micron]m pueden atravesar sin problema la malla. A medida que se va formando un queque de filtracion sobre esta malla, la turbidez se va reduciendo, alcanzando valores entre 5 y 10 NTU luego de una hora de filtracion.

[FIGURA 2 OMITIR]

Durante la operacion continua del BRM, se lograron altos niveles de remocion de DQO, como se aprecia en la figura 4. La concentracion de SST en el interior del reactor se mantuvo en 13 g/L. Durante los 60 dias de operacion con la malla de 20 [micron]m, el permeado presento muy bajos niveles de turbiedad, no superando los 3 NTU. Si bien la calidad del agua efluente fue adecuada, el flujo aplicado durante la operacion con la malla de 20 m fue solo entre 4 y 5 L/[m.sup.2]h. Este bajo flujo de operacion fue el resultado de la tendencia del sistema a experimentar rapidos incrementos de la presion de filtracion, ocasionados por la formacion de una torta que tendia a adherirse irreversiblemente a la malla. Esto obligo a la interrupcion de la operacion y la limpieza mecanica del modulo de filtracion durante los dias 20 y 40.

[FIGURA 3 OMITIR]

Aunque al operar con malla de 20 [micron]m se logro una considerable reduccion de turbidez y contenido de materia organica, el rapido incremento en la TPM involucra cortos ciclos de operacion, lo cual conlleva a una reduccion en la productividad del proceso y a un incremento en los costos de operacion. En una segunda etapa de operacion se utilizaron mallas de 100 [micron]m. La figura 5 muestra los valores de turbidez durante los primeros 90 minutos de operacion del reactor. A diferencia de los valores obtenidos con la malla de 20 [micron]m, los niveles de turbidez son altos, incluso luego de 60 minutos de filtracion. Una apertura de malla de 100 m favorece el paso de solidos, dificultando la formacion de una membrana dinamica efectiva. Ren et al. [9] reportan, para un NFFB (nonwoven fabric filter bioreactor) y malla de poliester de 100 pm dispuesta perifericamente como saco, una reduccion exponencial del 53,8% de la turbidez tras 20 minutos de operacion, alcanzando 3,8 NTU al cabo de 130 minutos. En una configuracion de modulo sumergido dentro del bioreactor, Chu and Li [7] informan similares niveles de remocion tras 200 minutos de filtracion, trabajando con concentraciones de solidos totales en el rango 3100 a 10000 mg/L y elevados valores de flux. Con la malla de 100 [micron]m se alcanzaron concentraciones de SST inferiores a los 8000 mg/L al interior del reactor, siendo incluso inferiores a 6000 mg/L desde el dia 10 de operacion.

[FIGURA 4 OMITIR]

La figura 6 presenta los valores de DQO de entrada y salida, junto con la remocion de DQO, durante la operacion con la malla de 100 [micron]m. Se observan menores niveles de remocion que los presentados en la figura 4, siendo resultado de la presencia de solidos suspendidos (biomasa) en el permeado, que a su vez es consecuencia de una ineficiente formacion de la membrana dinamica. Durante la operacion con la malla de 100 [micron]m, si bien se pudo operar el BRM a un elevado flux, 25 L/[m.sup.2]h, la concentracion de solidos en el permeado, 200-300 mg/L, genero una elevada turbidez (0-100 NTU). El dia 45 se procedio a incrementar el tiempo de formacion de torta desde 5 a 10 minutos, y el tiempo de filtracion desde 60 a 90 minutos. Tal modificacion proporciono un mayor tiempo de formacion de la membrana dinamica, produciendo una mejora moderada en la calidad del permeado. Sin embargo, los niveles de solidos suspendidos del permeado se mantuvieron en torno a 100 mg/L.

Las diferencias observadas en la operacion del reactor con ambas mallas muestran la importancia que la seleccion del material de soporte posee. Materiales muy finos pueden promover una adhesion irreversible del queque de filtracion que actua como membrana, y requerir su remocion mecanica. Tal adhesion estaria determinada por la menor area de paso que una malla mas fina posee, y que proporciona una mayor area de contacto con el queque de filtracion. Por otro lado, una malla mas abierta ofrece mayores posibilidades de que los solidos finos puedan pasar hacia el permeado, pero requiere una mas cuidadosa seleccion de las condiciones de operacion. A pesar de las limitaciones antes descritas, resulta evidente que la aplicacion del concepto de membranas dinamicas auto-formantes puede proporcionar un permeado de alta calidad al ser aplicado al tratamiento biologico de aguas residuales, con niveles de turbidez extremadamente reducidos. De alguna manera, el concepto de membranas auto-formantes esta relacionado con las operaciones de filtracion tradicional, en las cuales la formacion de un queque de filtracion es necesaria para asegurar una buena calidad del filtrado. Esfuerzos posteriores se deben orientar a la busqueda de las condiciones de operacion que aseguren una buena calidad del permeado, a la vez que permitan la operacion con altos niveles de flujo.

[FIGURA 5 OMITIR]

3 CONCLUSIONES

El uso de membranas dinamicas auto-formantes es un concepto novedoso que promueve la aplica cion de la tecnologia MBR. La torta de filtracion formada sobre un soporte poroso puede utilizarse como una membrana dinamica auto-formante para retener la biomasa en el interior de un sistema de tratamiento de aguas residuales. Comparado con el uso de membranas micro y ultrafiltrantes, esta estrategia proporciona un permeado de alta calidad a baja inversion y bajo costo operativo, y es apropiada para las demandas de una gran cantidad de aplicaciones en que la remocion completa de los solidos no es una condicion requerida.

[FIGURA 6 OMITIR]

Para la configuracion de MBR con modulo de filtracion sumergido, se recomienda el empleo de mallas con apertura superior a 20 [micron]m. Al operar con malla de 100 [micron]m fue posible incrementar en 5 veces el flujo, pero la remocion de materia organica y turbidez no alcanzo valores adecuados. Resulta interesante evaluar alternativas para mejorar la formacion de torta e incrementar la retencion de biomasa en el interior del reactor. El empleo de soportes con mayor area de paso permite prolongar considerablemente los ciclos de operacion, al bajar costos de operacion y elevar la productividad del sistema de tratamiento.

4 AGRADECIMIENTOS

La presente investigacion ha sido posible gracias al financiamiento proporcionado por los proyectos FONDECYT 108 0279 y DIUFRO (Direccion de Investigacion de la Universidad de La Frontera) DI09-0029.

REFERENCIAS

[1] Metcalf & Eddy. Wastewater Engineering: treatment and reuse. New York, USA: McGraw-Hill, 2003, pp. 853-865.

[2] S. Judd. The MBR book. Oxford, England: Elsevier, 2006.

[3] W. Fuchs, C. Resch, M. Kernstock, M. Mayer, P. Schoe berl y R. Braun, "Influence of operational conditions on the performance of a mesh filter activated sludge process", Water Research, vol. 39, no. 5, pp. 803-810, 2005.

[4] Y. Wu, X. Huang, X. Wen y F. Chen, "Function of dy namic membrane in self-forming dynamic membrane coupled bioreactor", Water Science and Technology, vol. 51, no. 6-7, pp.107-114, 2005.

[5] D. Jeison, I. Diaz y J. B. van Lier, "Anaerobic membrane bioreactors: Are membranes really necessary?" Electronic Journal of Biotechnology, vol. 11, no. 4, 2008.

[6] Y. Kiso, Y. J. Jung, M.S. Park, W. H. Wang, M. Shimase, T. Yamada y K.S. Min, "Coupling of sequencing batch bioreactor and mesh filtration: Operational parameters and wastewater treatment performance", Water Research, vol. 39, no. 20, pp. 4887-4898, 2005.

[7] L.B. Chu y S. Li, "Filtration capability and operational characteristics of dynamic membrane bioreactor for municipal wastewater treatment", Separation and Purification Technology, vol. 51, no. 2, pp. 173-179, 2006.

[8] H. Liu, C. Yang, W. Pu y J. Zhang, "Formation mecha nism and structure of dynamic membrane in the dynamic membrane bioreactor", Chemical Engineering Journal, vol.148, pp. 290-295, 2009.

[9] X. Ren, H.K. Shon, N. Jang, Y.G. Lee, M. Bae, J. Lee, K. Cho y I. Kim, "Novel membrane bioreactor (MBR) coupled with a nonwoven fabric filter for household wastewater treatment", Water Research, vol. 44, pp. 751-760, 2010.

[10] APHA, AWWA, WEF, Standard Methods for the Examina tion of Water and Wastewater. Washington DC, USA: APHA, 1998.

[11] L. Holakoo, G. Nakhla, A.S. Bassi y E. K. Yanful, "Long term performance of MBR for biological nitrogen removal from synthetic municipal wastewater", Chemosphere, vol. 66, no. 5, pp. 849-857, 2007.

[12] Z. Ahmed, J. Cho, B. R. Lim, K. G. Song y K. H. Ahn, "Effects of sludge retention time on membrane fouling and microbial community structure in a membrane bioreactor", Journal of Membrane Science, vol. 287, no. 2, pp. 211-218, 2007.

[13] X. M. Wang, X. Y. Li y X. Huang, "Membrane fouling in a submerged membrane bioreactor (SMBR): Characterisation of the sludge cake and its high filtration resistance", Separation and Purification Technology, vol. 52, no. 3, pp. 439-445, 2007.

Recibido: 24/03/2012

Aceptado: 07/05/2013

Christian Vergara Ojeda, Profesor Departamento de Ingenieria Quimica, Nucleo Cientifico y Tecnologico en Biorrecursos (BIOREN), Universidad de La Frontera, Temuco, Chile. Correo: christian.vergara@ufrontera.cl

Carolina Quiroz, Investigador Departamento de Ingenieria Quimica, Grupo de Ingenieria Ambiental, Universidad de La Frontera, Temuco, Chile. Correo: carolina.quiroz@ufromail.cl

David Jeison, Profesor Departamento de Ingenieria Quimica, Nucleo Cientifico y Tecnologico en Biorrecursos (BIOREN), Universidad de La Frontera, Temuco, Chile. Correo: david.jeison@ufrontera.cl
Tabla 1. Composicion del agua residual sintetica
utilizada para la alimentacion del BRM

Componentes           Concentracion (g/L)

Leche en polvo             0.65
Sacarosa                  0.065
Acetatos                   0.15
K[H.sub.2]P[O.sub.4]       0.06
nh4cl                      0.16
Urea                       0.12

Fuente: elaboracion propia
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Author:Vergara Ojeda, Christian; Quiroz, Carolina; Jeison, David
Publication:Revista Ingenierias
Date:Jan 1, 2013
Words:3598
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