Parlem de membranes? (i V): AnMBR per a regadiu

AnMBR
Esquema de tecnologia AnMBR. Font: Scientific Research Publishing

Per tancar aquesta sèrie de posts sobre membranes us en presento una aplicació molt interessant. Al número de Maig/Juny de la revista RETEMA es fa menció en un article de l’ús de membranes per a poder reutilitzar l’aigua per a regadiu. Concretament, l’ús de la tecnologia AnMBR permet aprofitar tres tipus de recursos: l’aigua, el biogàs i els nutrients. Però anem a pams.

La tecnologia AnMBR és una evolució de la MBR, o sigui, l’ús de membranes en reactors de tipus anaerobi. Amb això guanyem en eficiència energètica, ja que al no haver d’airejar consumim molts menys kWh que en la combinació amb fangs actius. I no només això, del mateix procés anaerobi es genera biogàs mitjançant les comunitats bacterianes presents en el biorreactor, una barreja de gas metà, diòxid de carboni i sulfur d’hidrogen que caldrà tractar prèviament al seu ús com a font d’energia. Finalment, els tipus de microorganismes que porten a terme les reaccions anaeròbies no són capaces d’oxidar ni els compostos de nitrogen ni els de fòsfor. Amb tot, el que seria un desavantatge en comparació a d’altres sistemes d’eliminació de nutrients es converteix en una oportunitat a l’hora d’usar aquesta aigua resultant “enriquida” per a ús de regadiu.

AnMBR Comparativa
Font: RETEMA

Aprofitant la importància que la UE dóna cada vegada més a l’economia circular, aquesta tecnologia pren una dimensió més que interessant a l’hora d’abordar els reptes plantejats de cara al futur:

  1. Evitem el consum d’aigua potable per a regadiu mitjançant l’ús d’aigua regenerada provinent d’aigües residuals urbanes.
  2. Reduim el consum de fertilitzants aprofitant l'”enriquiment” d’aquest tipus d’aigua.
  3. Utilitzem el biogàs per a l’autoconsum de les instal·lacions, avançant cap a la sostenibilitat tan a nivell econòmic com energètic.

I per fer-vos una idea que el principal objectiu a perseguir en la reducció del consum d’aigua, almenys a l’Estat, és en el camp de l’agricultura, us deixo aquest gràfic aclaridor:

Gràfic consums d'aigua
Font: RETEMA

Per acabar, qui vulgui aprofundir en aquest article tant sols cal que vagi a la web de RETEMA i el llegeixi sencer de forma gratuïta mitjançant Issuu. Val la pena!

Continua la lectura de Parlem de membranes? (i V): AnMBR per a regadiu

Parlem de membranes? (IV)

FOULING

El fouling o embrutiment de les membranes és el factor clau a tenir en compte a l’hora d’obtenir un bon rendiment del procés de filtració. L’embrutiment depèn de les característiques físiques, químiques i biològiques de l’aigua, el tipus de membrana utilitzada i les condicions d’operació.

MBR Fouling
Efectes del fouling. Font: MDPI

En funció del tipus de fouling les membranes a instal-lar tindran un cost determinat, un pretractament específic i unes neteges programades per recuperar el seu rendiment original. El seguiment de l’embrutiment es fa a través del flux (LMH, litres per metre quadrat i hora filtrats) i l’augment de pressió en el sistema:

Fouling-flux
Font: The MBR Book

A la imatge anterior hem vist que un augment del flux provoca un major embrutiment de les membranes, a partir d’aquest resultats es recomamana de mantenir uns fluxos modestos per evitar la saturació precoç del sistema, és el que anomenem flux subcrític, si operem les membranes als voltants d’aquests valors recomanats mantindríem a ratlla el fouling, tot i que a la llarga acabarà formant-se i haurem d’acabar fent un rentat per recuperar-ne el rendiment inicial.

ETAPES DEL FOULING

Segons S. Judd, un dels majors experts en membranes, hi ha tres etapes en la formació del fouling:

  1. Acondicionament: quan interactuen unes substàncies presents en l’aigua d’alimentació anomenades EPS i SMP, polímers i substàncies sol·lubles d’origen microbià que facil·liten la interacció de la biomassa a la superfície de la membrana.
  2. Fouling lent: un cop s’han enllaçat els primers flocs de biomassa a la superfície, aquests segueixen cobrint-la de forma parcial sense, de moment, afectar els porus. És per això que en aquesta etapa el flux encara no es veu afectat pel procés d’embrutiment.
  3. Augment sobtat de la TMP: amb unes àrees més brutes que altres, el procés de filtració se centra en les zones menys obstruides, augmentant així el flux per sobre dels valors crítics. Això provoca un augment sobtat de la pressió transmembrana, símptoma de fouling avançat i senyal que en breu haurem de fer una neteja per tornar als valors inicials.
Fouling mechanisms
Les 3 etapes del fouling en membranes. Font: The MBR Book

I COM ES POT CONTROLAR?

Tot i que per ara queda molt recorregut per entendre el fenomen del fouling, podem trobar 5 estratègies per mirar de controlar-lo:

  1. Fent un pretractament adequat en l’aigua d’alimentació.
  2. Activant els protocols de neteja més adients.
  3. Reduint el flux fins a uns valors subcrítics.
  4. Augmentant l’aireació.
  5. Modificació a nivell biològic i/o químic del licor mixte.

D’aquestes, algunes són més viables que d’altres, per exemple l’augment de l’aireació pot arribar a tenir costos prohibitius i en canvi el control del flux pot actuar en sentit contrari.

TIPUS DE FOULING

En funció de les substàncies responsables de l’embrutiment trobem diferents tipus de fouling: per matèria particulada, per scaling, de tipus orgànic o biològic. Podeu aprofundir-hi en un article anterior meu sobre autòpsies de membranes que ho explica amb més detall.

I PER ACABAR… UN EXEMPLE VISUAL DE FOULING 

Continua la lectura de Parlem de membranes? (IV)

Parlem de membranes? (III)

MEMBRANES EXTERNES Vs SUBMERGIDES

  • Externes:  tenen un alt cost energètic, ja que van pressuritzades per poder fer circular alts volums d’aigua de forma tangencial a través de la membrana:
Cross-flow
Filtració tipus tangencial o “Cross-Flow”. Font: Wikimedia

Per aprofitar aquest cost energètic s’allarga el màxim possible el camí a seguir de l’aigua d’alimentació, afegint tants mòduls com permet el sistema:

Biomembrat Wehrle
Membranes externes. Font: Wehrle
  • Submergides: aquestes es troben immerses en l’aigua d’alimentació. El permeat es filtra aplicant el buit mitjançant una bomba centrífuga. Aquesta configuració té l’inconvenient de no poder treballar per sobre dels 50kPa (0,5 bar) de pressió transmembrana. Tot i això tenen un cost energètic menor en comparació a les externes.
iMBR
Membranes submergides. Font: UNEP

QUINA ÉS LA MILLOR OPCIÓ?

Tot i que les submergides tenen un cost energètic menor, revisant la web de referència del sector m’he trobat amb uns quants avantatges pel què fa a les externes, veiem quins són:

  • Requeriments d’espai menors.
  • Operació i manteniment més senzills.
  • Reposició i/o ampliació ràpida dels mòduls en cas d’augment de la càrrega hidràulica.
  • Pot operar a alta concentració de sòlids.

Tot i això, la millor manera de saber quin tipus de membranes ens convenen més sempre ha de ser sobre el terreny, avaluant els pros i contres segons el tipus d’aigua d’alimentació, requeriments d’espai, optimització del consum energètic, OPEX i CAPEX, etc.

Continua la lectura de Parlem de membranes? (III)

Parlem de membranes? (II)

COMPOSICIÓ

Podem classificar les membranes en dos grups segons el tipus de material de fabricació:

  1. Membranes orgàniques: fetes de polímers naturals o sintètics. La cel·lulosa, la llana o el cautxú estarien a la banda dels naturals i el PVDF o PTFE estarien al costat dels sintètics.
  2. Membranes inorgàniques: d’origen metàl·lic, ceràmic o de zeolita.

Les d’origen orgànic són les més utilitzades en depuració ja que tenen menor cost per rendiment. Tot i així les inorgàniques excel·leixen en resistència mecànica i química i tenen una major tolerància a les temperatures elevades. D’aquesta manera es poden utilitzar en el cas de tenir una aigua de característiques més extremes de les habituals.

A sota, cortesia d’Advantec, d’esquerra a dreta podem veure imatges al microscopi de diferents polímers: acetat de cel·lulosa, niló i PTFE.

CONFIGURACIÓ

Aquest és un terme prou difús com per tenir en compte varis aspectes, en el cas de The MBR Book hi trobem aquest esquema:

Membrane config
Font: The MBR Book

Com podeu veure, hi ha diferents configuracions segons el tipus de procés, la geometria de la membrana, el sentit de pas de l’aigua, etc. A sota us poso dues fotos de possibles configuracions de la marca Pentair:

I ara passo a explicar-vos els 4 tipus de configuració més habituals a nivell comercial:

  • Tubular: cada membrana és introduida en un tub de suport i llavors és inserit en una estructura més gran que és capaç d’aguantar la pressió de treball corresponent.
Tubular Membrane
Font: Synder Filtration
  • Fibra Buida (HF): és una agrupació de centars a milers de fibres que s’insereixen directament en un receptacle o carcassa de pressió (Pressure Vessel). S’utilitzen habitualment en MBRs.
OLYMPUS DIGITAL CAMERA
Font: Eclipse Membranes
  • Embolicada en espiral (Spiral Wound). Un video val més que mil paraules:

  • Plaques (Plates & Frames): són membranes planes que tenen de suport una sèrie de plaques. Aquests generen els canals de circulació per on sortirà el permeat. Un exemple en vídeo d’Alfa Laval:

I fins aquí la segona part d’aquest apassionant món! A la tercera parlarem de membranes externes i submergides, avantatges i inconvenients i alguna cosa més.

Continua la lectura de Parlem de membranes? (II)

Parlem de membranes? (I)

UF Membranes
Instal·lació feta amb membranes. Font: WEHRLE Umwelt

Un món a part en la depuració, purificació i desinfecció de les aigües és el de les membranes. Des del segle passat que no s’ha deixat d’avançar en diferents configuracions, tipus de materials, etc.

En funció de la mida del porus aconseguirem diferents qualitats d’aigua filtrada, així podrem desfer-nos de sòlids en suspensió, virus i bacteris o compostos de tipus orgànic i/o mineral depenent del nostre objectiu de qualitat final.

Pel què fa al procés en sí mateix, a l’esquema de sota podem veure com de l’aigua residual se n’obtenen dos productes: el permeat i el concentrat. El primer és l’aigua que ha passat a través dels porus de la membrana i el segon és el que no l’ha atravessat i que per tant s’ha anat concentrant a mida que anava circulant pel sistema. En aquest vídeo es pot veure els elements que queden al concentrat en funció del diàmetre de porus.

operaciocc81-de-membranes.jpg
Esquema del procés de filtració per membranes. Font: Metcalf & Eddy

 TIPUS DE FILTRACIÓ

Com hem dit abans, va en funció del diàmetre de porus el qual permet operar en un rang de grandària de partícula determinada:

Microfiltració: entre 0,07-2 micres (per fer-nos una idea 1 micra equival a 0,000001 mil·límetre!). En el concentrat hi quedarien retinguts sòlids en suspensió, la majoria de bacteris i protozous i ous d’helmints. En les aplicacions hi trobaríem l’esterilització de la llet en la indústria alimentària o purificació d’enzims a la industría química-farmacèutica.

Ultrafiltració: entre 0,008-0,2 micres. Aquí s’hi afegiria al concentrat alguns contaminants orgànics a més d’eliminar la pràctica totalitat de bacteris i virus. En aquest cas la ultrafiltració és l’exemple bàsic en reutilització d’aigua; depenent de l’ús final hi haurem d’afegir algun pas més com osmosi inversa, cloració, carbó actiu, etc.

Nanofiltració: entre 0,0009-0,01 micres. Aquí s’hi afegeix el fenomen de la difusió a banda de la filtració, podríem dir que és un procés mixte i que aconsegueix eliminar sòlids dissolts, nitrats, metalls pesats o molècules de carbonat càlcic, aquestes últimes responsables de la duresa present en l’aigua. En aquest cas els usos poden ser per aconseguir aigua d’una gran qualitat partint d’aigua residual complexa com pot ser els lixiviats.

Osmosi Inversa: entre 0,0001-0,002 micres. La difusió és el fenomen exclusiu del procés i en funció de la temperatura, pH i pressió aplicada pot arribar a retenir-ho tot menys el Bor. És el procés principal en les dessaladores.

Per fer-ho més gràfic, us adjunto una taula representativa del radi d’acció de les membranes:

Cut-offs_of_different_liquid_filtration_techniques
Font: Wikimedia

I fins aquí la part introductòria al món de les membranes, properament aprofundirem una mica més parlant de tipus de material i possibles configuracions.

Stay tuned!

Continua la lectura de Parlem de membranes? (I)