Introducción a las membranas (y V): AnMBR para riego

AnMBR
Esquema de tecnología AnMBR. Scientific Research Publishing

Para cerrar esta serie sobre membranas os presento una aplicación muy interesante. En el número de Mayo/Junio de la revista RETEMA hay un artículo sobre reutilización de agua para riego mediante membranas. Concretamente, el uso de la tecnología AnMBR permite aprovechar tres tipos de recursos: el agua, el biogás y los nutrientes. Voy a explicarlo.

La tecnología AnMBR, una evolución de la MBR, es la aplicación de tecnología de membranas en reactores de tipo anaerobio. Esta configuración es energéticamente más eficiente, ya que la ausencia de oxígeno permite un consumo mucho menor que en la tecnología de lodos activos. Además, del mismo proceso anaerobio se genera biogás mediante las comunidades bacterianas presentes en el biorreactor, una mezcla de gas metano, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. Finalmente, los microorganismos que llevan a cabo las reacciones anaerobias en el reactor no son capaces de oxidar ni los compuestos nitrogenados ni los fosforilados. Esto último que sería una desventaja en comparación con otros sistemas que sí eliminan nutrientes se convierte en una oportunidad. El agua depurada resultante, al estar enriquecida con nitrógeno y fósforo puede ser utilizada para riego de cultivos.

AnMBR Comparativa
RETEMA

Aprovechando la importancia que la Comisión Europea da a la economía circular, esta tecnología toma una dimensión muy interesante para afrontar los retos planteados:

  • Evitamos el consumo de agua potable para regadío sustituyéndola por agua regenerada proveniente de aguas residuales urbanas.
  • Reducimos el consumo de fertilizantes aprovechando el enriquecimiento en nutrientes de este agua alternativa.
  • Utilizamos el biogás para el autoconsumo de las instalaciones, avanzando hacia la sostenibilidad económica y energética.

Viendo esta gráfica, queda claro que almenos en España la tecnología AnMBR tiene un gran potencial:

Gràfic consums d'aigua
RETEMA

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Introducción a las membranas (IV): Fouling

FOULING

El control del fouling o ensuciamiento de las membranas es el factor clave para conseguir un buen rendimiento del proceso de filtración. Este ensuciamiento depende de las características físicas, químicas y biológicas del agua, el tipo de membrana utilizada y las condiciones de operación.

MBR Fouling
Efectos del fouling. Fuente: MDPI

En función del tipo de fouling las membranas que se van a montar tendrán un coste determinado, un pretratamiento específico y unas limpiezas programadas para recuperar su rendimiento original. La supervisión y control del ensuciamiento se hace a través del flujo (LMH, litros por metro cuadrado y hora filtrados) y el aumento de presión en el sistema:

Fouling-flux
Fuente: The MBR Book

En la imagen anterior hemos visto que un aumento del flujo provoca un mayor ensuciamiento, a partir de este resultado se recomienda mantener unos flujos modestos para evitar la saturación precoz del sistema; es lo que denominamos flujo subcrítico. Si operamos las membranas cerca de estos valores podremos evitar el fouling en las primeras etapas de funcionamiento, aunque no podremos evitar su formación a la larga y tendremos que recurrir al lavado de la membrana para recuperar el rendimiento inicial.

ETAPAS DEL FOULING

Según Simon Judd, uno de los mayores expertos en membranas, hay tres etapas en la formación del fouling:

  1. Acondicionamiento: cuando interactúan unas sustancias presentes en el agua de alimentación llamadas EPS y SMP, polímeros y sustancias solubles de origen microbiano que facilitan la interacción de la biomasa en la superficie de la membrana.
  2. Fouling lento: una vez se han unido los primeros flóculos de biomasa en la superficie, estos siguen cubriéndola de forma parcial sin, de momento, afectar los poros. En esta etapa el flujo todavía no se ve afectado por el proceso de ensuciamiento.
  3. Aumento repentino de la TMP: con unas áreas más sucias que otras, el proceso de filtración se produce en las zonas menos obstruidas, aumentando el flujo por encima de los valores críticos. Esto provoca un aumento repentino de la presión transmembrana, síntoma de fouling avanzado y señal que en breve tendremos que hacer una limpieza para volver a los valores iniciales.
Fouling mechanisms
Las 3 etapas del fouling en membranas. Fuente: The MBR Book

COMO SE PUEDE CONTROLAR?

A pesar de que aún queda bastante para entender el fenómeno del fouling, tenemos cinco estrategias para controlarlo:

  • Diseñando un pretratamiento adecuado del agua de alimentación.
  • Activando los protocolos de limpieza más adecuadas.
  • Reduciendo el flujo hasta unos valores subcríticos.
  • Aumentando la aireación.
  • Modificando a nivel biológico y/o químico el licor mixto.

De estas, algunas son más viables que otras, por ejemplo el aumento de la aireación puede tener costes prohibitivos y en cambio el control del flujo puede actuar en sentido contrario.

TIPOS

Hay diferentes tipos de fouling en función de las sustancias responsables del ensuciamiento: por scaling, de tipo orgánico, de carácter biológico, etc. Podéis profundizar en un artículo anterior mío sobre autopsias de membranas aquí.

UN EJEMPLO VISUAL DE FOULING 

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Introducción a las membranas (III): Externas Vs Sumergidas

MEMBRANAS EXTERNAS Vs SUMERGIDAS

  • Externas: tienen un elevado coste energético, ya que van presurizadas para forzar la circulación de forma tangencial del agua a través de la membrana:
Cross-flow
Filtración de tipo tangencial o “Cross-Flow”. Wikimedia

Para aprovechar la energía consumida en este tipo de membranas se alarga al máximo el camino a seguir del agua de alimentación, añadiendo tantos módulos como permite el sistema:

Biomembrat Wehrle
Membranas externas. Wehrle
  • Sumergidas: estas se encuentran inmersas en el agua de alimentación. El permeado se filtra aplicando el vacío mediante una bomba centrífuga. Esta configuración tiene el inconveniente de no poder trabajar por encima de los 50kPa (0,5 bar) de presión transmembrana. De todas formas, aún tienen un coste energético menor en comparación a las externas.
iMBR
Membranas sumergidas. UNEP

CUAL ES LA MEJOR OPCION?

A pesar de que las sumergidas tienen un coste energético menor, revisando una de las páginas de referencia del sector he visto que las externas también tienen ventajas respecto a las sumergidas, veamos cuáles son:

  • Ocupan menor espacio.
  • Operación y mantenimiento más simple.
  • Reposición y/o ampliación rápida de los módulos en caso de aumento de la carga hidráulica.
  • Pueden operar a elevada concentración de sólidos.

De todas formas, la mejor manera de saber qué tipo de membrana nos conviene verla sobre el terreno, evaluando los pros y contras según el tipo de agua de alimentación, requerimientos de espacio, optimización del consumo energético, OPEX y CAPEX, etc.

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Introducción a las membranas (II): Composición y configuración

COMPOSICIÓN

Podemos clasificar las membranas en dos grupos según el tipo de material de fabricación:

  • Membranas orgánicas: compuestas de polímeros naturales o sintéticos. La celulosa, la lana o el caucho serían del primer grupo y el PVDF o PTFE estarían en el de los sintéticos.
  • Membranas inorgánicas: de origen metálico, cerámico o de zeolita.

Las de origen orgánico son mas habituales puesto que tienen menor coste por rendimiento, aunque las inorgánicas tienen mayor resistencia mecánica y química y una gran tolerancia a las temperaturas elevadas. Estas últimas se utilizan en aguas complejas como son los lixiviados.

En las imágenes de abajo (de la web de Advantec) y de izquierda a derecha, podemos ver diferentes polímeros a nivel microscópico: acetato de celulosa, nilón y PTFE.

CONFIGURACIÓN

Este es un término lo bastante confuso como para tener en cuenta varios aspectos. The MBR Book nos propone este esquema:

Membrane config
Fuente: The MBR Book

Cómo se puede observar, hay diferentes configuraciones según el tipo de proceso, la geometría de la membrana, el sentido de paso del agua, etc. Debajo os pongo dos fotos de posibles configuraciones de la marca Pentair:

Las 4 configuraciones más habituales a nivel comercial son:

  • Tubular: cada membrana es introducida en un tubo de soporte e insertado en una estructura más grande que es capaz de aguantar la presión de trabajo correspondiente.
Tubular Membrane
Fuente: Synder Filtration
  • Fibra Hueca: es una agrupación de centares a miles de fibras que se insertan directamente en un receptáculo o carcasa de presión. Se utilizan habitualmente en MBR.
OLYMPUS DIGITAL CAMERA
Fuente: Eclipse Membranes
  • Enrollada en espiral: composición típica de las membranas de osmosis inversa.

  • Placas: son membranas planas que tienen de soporte una serie de placas. Estas generan los canales de circulación por donde pasará el permeado. Un ejemplo en un vídeo de Alfa Laval:

Y hasta aquí la segunda parte de la introducción a membranas. En la tercera hablaremos de membranas externas y sumergidas, ventajas e inconvenientes y alguna cosa más…

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Introducción a las membranas (I): Tipos de filtración

UF Membranes
Fuente: WEHRLE Umwelt

Un mundo aparte en la depuración, purificación y desinfección de aguas es el de las membranas. Desde el siglo pasado que no se ha dejado de avanzar en diferentes configuraciones, tipos de materiales, etc.

En función de la medida del poro conseguiremos diferentes calidades de agua filtrada, así podremos eliminar sólidos en suspensión, virus y bacterias o compuestos de tipo orgánico y/o mineral dependiendo de nuestro objetivo de calidad final. E

En el esquema de abajo podemos ver como del agua residual de entrada se obtienen dos productos: el permeado y el concentrado o rechazo. El primero es el agua que ha pasado a través de los poros de la membrana y el segundo es el que no lo ha hecho y que por lo tanto se ha ido concentrando a medida que iba circulando por el sistema. En este vídeo se puede ver los elementos que quedan al concentrado en función del diámetro de poro.

operaciocc81-de-membranes.jpg
Esquema del proceso de filtración por membranas. Metcalf & Eddy

 TIPOS DE FILTRACIÓN

En función del diámetro del poro nos permite operar en un rango de tamaño de partícula determinada:

Microfiltración: entre 0,07-2 micras (1 micra equivale a 0,000001 milímetro). En el concentrado quedarían retenidos sólidos en suspensión, la mayoría de bacterias y protozoos y huevos de helmintos. En las aplicaciones encontraríamos la esterilización de la leche en la industria alimentaria o purificación de enzimas en la química-farmacéutica.

Ultrafiltración: entre 0,008-0,2 micras. Quedan retenidos algunos contaminantes orgánicos además de la práctica totalidad de bacterias y virus. En este caso la ultrafiltración es el ejemplo básico en reutilización de agua; dependiendo del uso final tendremos que añadir algún paso más como ósmosis inversa, cloración, carbón activo, etc.

Nanofiltración: entre 0,0009-0,01 micras. En este tipo de filtración aparece el fenómeno de la difusión combinado con la filtración. Podríamos decir que es un proceso mixto y que consigue eliminar sólidos disueltos, nitratos, metales pesados y moléculas de carbonato cálcico, estas últimas responsables de la dureza presente en el agua. Con este proceso se consigue agua de una gran calidad partiendo de agua residual compleja como los lixiviados.

Ósmosis Inversa: entre 0,0001-0,002 micras. La difusión es el fenómeno exclusivo del proceso y en función de la temperatura, pH y presión aplicada puede llegar a retenerlo todo menos el Boro. Es el proceso principal en las desaladoras.

Tabla representativa del radio de acción de las membranas:

Cut-offs_of_different_liquid_filtration_techniques
Wikimedia

Y hasta aquí la parte de tipos de filtración, próximamente escribiré sobre materiales y posibles configuraciones.

Stay tuned!

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