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)

La utilitat de fer autòpsies

Principals grups embrutiment
Font: Genesys International

No fa pas tant que el concepte d’autòpsia m’era completament aliè al camp del tractament d’aigües. De fet, si parlem d’avaluació sobre l’impacte de l’embrutiment en membranes d’osmosi inversa estarem dient el mateix amb més paraules.

Pels que habitualment treballeu amb mòduls de membranes d’osmosi inversa segur que a la llarga us heu trobat amb baixades de producció d’aigua osmotitzada o permeat. Aquesta disminució del rendiment (provocant un augment de la fracció rebuig del procés) a sobre no la provoca una sola causa, sinó que en pot tenir vàries:

· Formació de biofilms: provocat per l’amuntegament a la superfície de la membrana de bacteris i biopolímers que actuen de capa reduint la difusió del permeat.

· Deposició de coloides: provinents de silicats i conseqüència d’un mal pretractament abans del procés d’osmosi inversa.

· Precipitació de sals: amb formació de cristalls per saturació.

· Embrutiment orgànic: degut a la presència de diferents àcids presents a les aigües superficials.

· Acumulació de metalls: com ferro o alumini, provinents d’una dosificació en excés en el pretractament.

Principal embrutiment OI
Font: Genesys International

Doncs bé, ja veieu que hi ha diferents origens per al mateix problema final: la disminució de rendiment del procés d’osmosi inversa.

La meva petita experiència en aquest cas es limita a un embrutiment inorgànic per acumulació de sals, la solució: fer rentats àcids de forma periòdica.

Però i si no sé de forma clara la causa de l’embrutiment? Llavors ens pot ser molt útil fer una autòpsia de la membrana. Es tracta de, abans de llençar-la, aprofitar per fer-ne una dissecció i trobar d’aquesta manera les causes del seu baix rendiment.

Fallos de mebrana
Font: Genesys International

Si hi voleu aprofundir podeu llegir aquest interessant article d’on he extret alguns gràfics per il·lustrar el post:

EVALUACION DEL IMPACTO DEL ENSUCIAMIENTO EN MEMBRANAS DE OSMOSIS INVERSA (F. del Vigo, N. Peña, J. Sepúlveda. Genesys Membrane Products).

Les lleis comunitàries i la realitat de les seves regions

banderes-europees
Font: iAgua

Un article publicat recentment al portal iAgua per Manuel Suárez, president d’ADECAGUA, sobre una futura modificació de la Directiva Marc de l’Aigua fa reflexionar sobre les els interessos i necessitats dins de cada país de la UE.

És ben cert que a Europa hi ha una diferència important entre els països del nord i centre i els mediterranis. Relativa abundància de masses d’aigua, amb períodes de grans inundacions incloses versus escassetat hídrica amb èpoques recurrents de sequera.

De fet, en matèria ambiental i molt especialment l’aigua es barregen fronteres polítiques amb fenòmens que traspassen tota lògica d’organització humana. És per això que potser més que parlar de països del nord, centre o sud, la unitat d’acció es podria correspondre més a regions gestionades segons la varietat climàtica.

explotacio-aigua-ue
Font: El País

A l’article hi ha queixes davant de la preminència dels països amb abundància d’aigua i també la necessitat de defensar els interessos del propi país. Davant d’això:

Per què no una Directiva Marc més laxa, adaptable a les necessitats no ja de cada país sinó de cada regió de característiques climàtiques similars? Per exemple, en el cas d’Espanya, no és el mateix el litoral cantàbric que la zona atlàntica sud o la regió mediterrània. Ho adaptem des d ‘aquesta vessant? Potser estic dient una bestiesa… algú a la sala per dir-hi la seva?

Eines de reflexió:

· “Water policy in the European Union“. European Comission

· “Conceptes i principis bàsics de la Directiva Marc de l’Aigua“. Agència Catalana de l’Aigua

· “Europa estudia una nueva legislación sobre reutilización de agua para riego y recarga de acuíferos“. RETEMA.

Projecte OMBReuse

forward-osmosis
Osmosi Directa (FO). Spectrum.ieee.org

Un article conjunt escrit pel LEQUIA i l’ICRA a la revista RETEMA (Gen-Feb 2016) fa referència a les opcions que tenim per a poder obtenir aigua potable a partir d’aigua de mar, salobre o residual; és a dir, a partir d’aigües de difícil potabilització i que fa un temps ni eren considerades un recurs.

Es parla de dessalinització, regeneració, reutilització indirecta i directa d’aigua potable. En aquest últim cas es parla de la obligació d’instal·lar una barrera múltiple com pot ser un biorreactor de membrana (MBR) seguit d’una osmosi inversa (RO) i una desinfecció (llum UV, ozó, cloració), per a obtenir una aigua de qualitat i segura per al seu consum, amb la contrapartida de costos semblants a les de la dessalinització, 0,5-1€/m3.

mbr
MBR acoplat a Osmosi Inversa (RO). Esquema publicat per  Sunmanyang

El projecte OMBReuse pretén reduir els costos de generar aigua potable per a la reutilització directa mantenint-ne la qualitat i seguretat en el consum. És per això que s’ha apostat per la Osmosi Directa (FO).

La FO ja ha estat provada a escala laboratori i pilot, i a diferència de la RO l’obtenció del permeat es produeix per diferència de gradient de salinitat entre les dues bandes de la membrana. L’ús d’una solució d’alta salinitat o “solució extractora” (aigua de mar o clorur sòdic) forma part del sistema empleat, la qual es barreja amb l’aigua residual per llavors ser separada per la RO convencional. En aquest sentit, i degut a que el sistema utilitza la doble barrera (FO+RO) és de possible aplicació a la reutilització d’aigua residual com a potable.

ombr
OMBR. Esquema de la revista Environmental Science

Aplicada en el context dels MBR, la novetat que ens aporta el projecte OMBReuse és la substitució en el reactor de les membranes habituals (de micro o ultrafiltració) per les d’osmosi directa, aconseguint unes elevades taxes d’eliminació de contaminants a més d’una disminució en l’embrutament. En definitiva, ens segueix aportant aigua d’alta qualitat però a un menor cost. Aquest nou esquema de depuració ha rebut el nom de OMBR (Osmotic Membrane Bioreactor) i té un futur prometedor, però també cal resoldre certs inconvenients.

fo
Fonaments de l’osmosi directa. Imatge de Porifera

Vistos els avantatges de la FO, l’acumulació de sals al reactor biològic i la posterior validació a escala real es presenten com els principals reptes a superar. En el cas de l’augment de salinitat, els microorganismes del reactor se’n veuen afectats i provoca inestabilitat en el procés de OMBR.

Però tornant al projecte en sí aquest té 5 eixos definits:

  1. Optimització del procés de membranes.
  2. Avaluació del benefici d’usar 2 membranes denses (FO i RO) com a concepte de doble barrera contra els contaminants.
  3. Avaluació de la problemàtica de l’embrutiment en comparació al MBR habitual.
  4. Desenvolupament d’eines de control per a la concentració de sals i optimització d’operació i neteja.
  5. Desenvolupament d’un sistema d’ajuda a la decisió per integrar la OMBR en l’esquema de tractament d’aigües residuals en àmbit local.

Aquest projecte va començar el 2015 i té una duració de 2 anys, així que properament podrem saber els resultats de tota l’experiència acumulada.

Complementa-ho:

· “Eight technologies for drinkable seawater” (Sprectrum ieee)

· “What is Forward Osmosis?” (Porifera)

· “The osmotic membrane bioreactor: a critical review” (Environmental Science: Water Research & Technology)

Com afrontar la sequera?

murray-darling-basin

Un article de Sarah Ann Wheeler reflexiona sobre la resposta a l’escassetat d’aigua a la revista de la International Water Association (IWA):

“Professional backgrounds tend to predetermine one answer and often seek a silver bullet as the solution (…) the reality is that one strategy, by itself, is never enough.”

Enginyers, economistes, planificadors, etc. cadascun d’ells oferirà una solució diferent, però és probable que triant-ne una d’elles no n’hi hagi prou.

Afrontar un problema social, econòmic i ambiental com una sequera requereix d’una visió més interdisciplinar on cadascú de nosaltres pugui aportar la seva visió, així com extreure’n una solució integrada.

D’altra banda, tan governs com gestors han fet èmfasi en estratègies que afecten a l’oferta de l’aigua, obviant la part de l’ús i demanda d’aquesta. En aquest cas, explica Wheeler, podríem considerar 3 punts:

· Divulgar i educar en l’ús de l’aigua com un bé escàs.

· Plans reguladors que incideixin en una millora de la qualitat.

· Mesures econòmiques com poden ser taxes i tarifes que en promoguin un ús més sostenible o mercats de l’aigua.

En el cas d’Austràlia, després d’esgotar les mesures per la part de l’oferta, les últimes dècades s’han centrat a fer un esforç en la gestió de la demanda: límits a noves llicències, augment de la regulació, major divulgació i introducció de nous preus i càrrecs per l’aigua.

 

r138727_474293
La conca Murray-Darling, de vital importància per l’elevada producció agroalimentària

El més rellevant ha estat, però, la reforma dels drets de propietat i l’establiment de mercats de l’aigua de la conca Murray-Darling, l’àrea més gran de producció alimentària d’Austràlia. El pla de 2012 d’aquesta conca inclou la separació dels drets sobre la terra i l’aigua, el monitoratge sobre l’ús, la reforma del mercat de l’aigua i el sistema d’assignació de propietat, així com la diversificació de l’agricultura al Delta.

Però sembla ser que el que va permetre realment que els agricultors no entressin en fallida durant la Sequera del Mil·leni van ser els mercats de l’aigua. Aquests van donar resiliència al sistema per afrontar la sequera:

“During the worst years-when water allocations were at their lowest and rice farmers in New South Wales could not put their crop in-they sold their water on the temporary market. Downstream farmers bought that water to keep their vineyards or other permanent assets alive. This win-win would have been impossible without markets.”

australiawatertrading

 

De totes maneres no ens podem quedar en una solució aillada, sinó que l’hem d’integrar amb d’altres mesures com l’eficiència d’irrigació o l’establiment de límits d’ús. És més, cal tenir en compte la paradoxa de l’eficiència: les noves tecnologies de rec per elles mateixes no porten a un augment d’estalvi, ans al contrari, n’augmenten la demanda.

En definitiva, el diseny d’una resposta resilient a l’escassetat d’aigua és millor si s’aborda des de múltiples perspectives:

“To hit the target, avoid the silver bullet, and instead embrace the silver buckshot”.

PER APROFUNDIR-HI:

L’article complet aquí.

PER SABER-NE MÉS:

Un article sobre com funcionen els mercats de l’aigua a Austràlia.