Aspectos generales de un biorreactor de membranas (MBR)

Preguntas técnicas

1. ¿Cuál es el tamaño típico de los poros de una membrana MBR?

El tamaño dependerá de la composición del agua a tratar. Para separar sólidos suspendidos, moléculas grandes y bacterias se utilizan membranas de Microfiltración (MF) y se encuentra generalmente en el rango de 0.1 a 0.4 μm.

Cuando se han de filtrar sólidos suspendidos de menor tamaño como colides, moléculas orgánicas, bacterias y algunos virus, se utilizan membranas de ultrafiltración (UF), cuyo tamaño de poros de alrededor de 0.01 a 0.1 μm.

2. ¿Cómo elimina un sistema MBR los contaminantes del agua residual?

Un biorreactor de membranas combina dos procesos principales: Tratamiento biológico, en el que las bacterias se encargar de eliminar la materia orgánica, y una filtración mediante membranas, que permite separar los fangos en exceso y recircular fangos activos al reactor biológico. Tras este proceso, se obtiene un agua tratada de elevada calidad, que en muchos casos puede ser reutilizada.

En resumen, el proceso biológico degrada los contaminantes y las membranas separan el agua limpia de los sólidos y microorganismos.

3. ¿Cuáles son las presiones de operación de los sistemas MBR?

Para las membranas sumergidas, es suficiente con la presión transmembranal (TMP) que se sitúa entre 0,1 y 0,5 bares. Se hace por succión mediante bombas de vacío.

En el caso de membranas externas, la presión a aplicar es de 0,5 a 2 bares y el bombeo se realiza a membranas que se alojan en módulos externos.

4. ¿Cómo se previene el ensuciamiento de las membranas en un MBR?

Prevenir el ensuciamiento (fouling) de las membranas en un sistema MBR es clave para mantener su eficiencia y prolongar su vida útil. Se utilizan varias técnicas, que se pueden combinar entre si:

• Aireación, que se realiza mediante un burbujeo que genera una turbulencia que favorece la limpieza continuada de las membranas.
• Limpiezas periódicas que pueden ser físicas, mediante retrolavados (backwash), que invierten el flujo para arrastrar la suciedad depositada, o con soluciones químicas específicas como hipoclorito o ácido cítrico (mantenimiento CIP, o cleaning in place). También se realizan limpiezas enérgicas con otros reactivos más agresivos para la recuperación de las membranas cuando el ensuciamiento es importante.

Limpieza Química de Membranas de MF y UF en El Tratamiento de Aguas | PDF | Agua | Aluminio

5. ¿Qué es el tiempo de retención de lodos (SRT) en un sistema MBR?

El SRT es el tiempo medio que los lodos permanecen en el sistema biológico antes de ser extraídos.

El SRT permite controlar la composición de la biomasa, favoreciendo el crecimiento de microorganismos de crecimiento lento como los nitrificantes, lo que permite disponer de unas colonias de bacterias más eficientes, reducir la producción de lodos, mejorar el rendimiento en la eliminación contaminantes complejos, y dar más estabilidad al proceso.

Los valores típicos de SRT en un sistema MBR están sobre los 20 días para nitrificación – desnitrificación y tiempos superiores para minimizar el lodo residual.

6. ¿Cómo se detectan las fugas de sólidos suspendidos en los sistemas de filtración del MBR?

El sistema más sencillo consiste en observar si existe alguna coloración o turbidez anómala en la muestra de agua filtrada. No obstante, el empleo de un turbidímetro en línea o un análisis de laboratorio, nos permite un control seguro y eficaz.

Para detectar cual es la membrana o elemento por el que se produce la fuga contamos con un método conocido como la Prueba de integridad, que consiste en una prueba de presión o aire (bubble point). En esta prueba se aplica aire o gas a presión y se observa si hay paso hacia el lado del permeado. Si hay un aumento en la tasa de paso del gas es indicio de una fuga en la membrana. Si hay varios cartuchos de membranas deberán aislarse para comprobar en cual está el deterioro.

Prueba de integridad del punto de burbuja: ¿Qué es y para qué sirve? – Brother Filtration

7. ¿Cómo se detecta que las membranas de un biorreactor de membranas están sucias?

El ensuciamiento de las membranas en un sistema MBR se detecta, generalmente, por un descenso en el caudal de filtrado manteniendo la misma presión de operación, o bien porque es necesario aumentar la presión para mantener el caudal deseado. Además, es habitual observar un incremento en la concentración de sólidos en suspensión en el permeado cuando se produce ensuciamiento.

Estos parámetros se controlan mediante sistemas de medida de presión como los transmisores de presión, los cuales producen una alarma cuando se supera una cierta presión diferencial entre aporte y salida. El caudalímetro de filtrado también puede disponer de alarma si el caudal baja. El turbidímetro de filtrado nos indica si se ha superado el valor normal de turbidez.

8. ¿Qué concentración de sólidos en suspensión (MLSS) se utiliza en un proceso MBR?

Los valores normales de concentración de MLSS en un MBR están entre 8 y 12 g/l, y en ciertos sistemas pueden operar hasta 15 g/l; mientras que en los sistemas de fangos activados se opera a concentraciones de entre 2 y 4 g/l. Esto se traduce en un volumen del reactor biológico mucho menor y en una concentración de fango extraído considerablemente mayor.

9 ¿Cómo se limpian las membranas sumergidas?

Si las membranas se encuentran sumergidas en módulos anexos al reactor biológico, se detiene la instalación de filtración, se vacían los módulos y se circulan soluciones químicas en el propio módulo. Si las membranas están en el interior del reactor biológico se deben extraer y sumergir en depósitos de limpieza.

La limpieza para eliminar incrustaciones y materia orgánica acumulada se realiza con soluciones de hipoclorito, ácido cítrico, o productos especializados.

10. ¿Qué tipo de pretratamiento es conveniente antes de alimentar un reactor MBR?

Antes de introducir el efluente en el biorreactor de membranas es conveniente realizar un tamizado a un nivel de 2 -3 mm y, si es preciso, un desarenado. También es importante que no haya aceites y grasas, u otros productos que puedan colmatar las membranas.

En lo que se refiere a la concentración de sales (CaCO₃, CaSO4, SiO2, etc.), deberán tenerse en cuenta los límites de saturación de estas sales (LSI, PS) para impedir la precipitación en las membranas. Esto puede producirse por cambios de pH, temperatura o evaporación del líquido en el proceso.

Solución de problemas

1. ¿Por qué mi sistema MBR está experimentando ensuciamiento de membranas?

El ensuciamiento o fouling de las membranas de un MBR puede ser físico, químico o biológico, y ocurre cuando las partículas, microorganismos o sustancias químicas se adhieren o depositan en las membranas, reduciendo su superficie activa, lo que se traduce en una disminución de la permeabilidad.

A medida que se incrementa la superficie afectada, el resto debe trabajar en condiciones de estrés lo que acelera el ensuciamiento. A su vez, la suciedad queda muy adherida en las capas más profundas y resulta muy difícil eliminarlas incluso con limpiezas enérgicas (fouling irreversible).

2. ¿Cómo se resuelven los problemas de olor en los MBR?

Para resolver o controlar los olores, se toman las siguientes medidas:

• Operación en correctas condiciones aerobias, y controlar la carga de fangos, para evitar la formación de gases como SH₂ o NH_3.
• Cubrimiento con cúpulas o capotas, tanto del reactor biológico como del tratamiento de fangos.
• Sistemas de ventilación forzada que conducen el aire extraído a unidades de tratamiento de gases como: biofiltros, scrubbers (lavadores de gases), o lechos con relleno adsorbente como el carbón activo.

3. ¿Qué causa una disminución de flujo en las membranas MBR?

Una disminución del flujo en las membranas MBR suele relacionarse con varios factores que afectan a su permeabilidad. Las causas más comunes son:

• Ensuciamiento de las membranas (fouling biológico, orgánico, inorgánico o coloidal).
• Envejecimiento o daño de las membranas.
• Flujo o turbulencia de aireación insuficiente.
• Acumulación de fangos.
• Limpiezas químicas inadecuadas o poco frecuentes dejan residuos.
• Condiciones operativas inadecuadas (Caudal, presión, temperatura…).

Ensuciamiento de la membrana MBR: un análisis en profundidad de las causas, los impactos y las soluciones – SPERTA MEMBRANE

4. ¿Cómo se detectan fugas en las membranas de un reactor MBR?

Los sistemas más utilizados para detectar una fuga en las membranas de un sistema MBR son:

• Pruebas de integridad: Prueba de presión o de burbujeo y prueba de vacío.
• Análisis microbiológico y de sólidos suspendidos del permeado.
• Un aumento en la turbidez o el SDI del permeado puede indicar rotura de fibras o fisuras.
• Inspección visual. Si son membranas sumergidas se pueden extraer y observar roturas o fisuras en los módulos o en sus conexiones.

5. ¿Por qué está disminuyendo el rendimiento biológico de mi biorreactor de membranas?

Las principales causas son las siguientes:

• Cuando el efluente a tratar tiene un contenido superior de DQO /DBO al de diseño, la biomasa del reactor biológico no puede procesar bien la carga orgánica, lo que reduce la eficiencia de depuración.
• La presencia de compuestos inhibidores o tóxicos pueden afectar a la biomasa activa.
• El ensuciamiento de las membranas MBR puede mermar la capacidad de filtración y la recirculación de fangos del sistema.
• El desequilibrio de nutrientes por escasez de nitrógeno o fósforo causa que la biomasa no se desarrolle adecuadamente.
• Condiciones operativas incorrectas (pH, presión, temperatura, oxigenación HRT o SRT incorrectos, etc.).

6. ¿Cómo se reparan las fugas en las membranas de un MBR?

Aislamiento:

• En las membranas de fibra hueca, una vez localizada la fibra rota, se sella la fibra dañada con calor o con resina específica, o se aísla con un tapón especial.
• En módulos planos, se puede aplicar un parche o resina especial en la zona afectada.

Sustitución del módulo:

• Cuando la fuga es irreparable, se recomienda sustituir el módulo completo.

CIP (cleaning in place):

• En ocasiones, con un lavado químico se elimina la fuga derivada de un ensuciamiento.

7. ¿Cómo se puede concentrar el fango procedente de un reactor biológico de membranas?

Los fangos procedentes de un sistema MBR pueden concentrarse utilizando diversas técnicas, dependiendo de los objetivos del tratamiento y del tipo de gestión de lodos que se requiera. Algunas de las formas más habituales son:

• Espesadores estáticos de fangos.
• Espesamiento mediante sistemas de flotación por aire disuelto, los cuales que tienen mayor eficiencia que los espesadores estáticos.
• Secado mecánico de fangos (filtros prensa, decanters centrífugos, filtros banda, tamices rotativos, etc.).

Los sistemas estáticos y mecánicos para la deshidratación de fangos suelen utilizar reactivos coagulantes y floculantes para mejorar su rendimiento.

8  ¿Se puede potabilizar el agua procedente de un sistema MBR?

Aunque un biorreactor de membranas produce un efluente de alta calidad, no elimina completamente patógenos, virus, ni trazas de contaminantes químicos (como medicamentos, pesticidas, etc.).

El agua procedente de un sistema MBR puede potabilizarse, pero necesita pasar por etapas adicionales de tratamiento, como son:

• Desinfección con Cl₂, O₃ , UV, etc.
• Filtración por nanofiltración u ósmosis inversa.
• Filtración / adsorción con carbón activo.
• Ajuste de pH + remineralización.

Para caudales elevados, también es habitual reinyectar el agua filtrada por un MBR en un acuífero, donde se mezcla con el agua natural (reutilización agua potable indirecta).

9. ¿Qué hacer con los vertidos procedentes de una limpieza de las membranas de un MBR?

Estos vertidos contienen los productos químicos empleados para limpiar las membranas, tales como ácidos, álcalis, agentes quelantes y biocidas. Por tanto, no pueden descargarse directamente al medio ambiente sin tratamiento previo.

La línea a seguir sería:

• Caracterización analítica de los parámetros del vertido (pH, conductividad, SS, metales, DQO…etc.).
• Tratamiento fisicoquímico.
• Tratamiento biológico en el mismo reactor MBR. Algunas plantas pueden recircular parte de estos vertidos pretratados si no afecta al proceso biológico.
• Gestión externa cuando no se pueden reciclar o volver a tratar en la planta MBR (caso de limpieza con agentes muy agresivos o tóxicos).
• Utilización de reactivos poco agresivos para realizar las limpiezas y posible reutilización de los mismos para otros lavados.

10. ¿Qué ocurre si se desequilibra el pH de un sistema MBR?

Pueden acontecer problemas importantes que afectan tanto al proceso biológico como al funcionamiento de las membranas:

• La biomasa del sistema biológico puede resultar dañada si el pH baja de 6, o sube de 9, ya             que se pueden producir bulking, espumas y malos olores por la inactividad de las bacterias afectadas. Esto lleva a una reducción del rendimiento de depuración.
• También pueden producirse daños en las membranas del MBR (degradación química, reducción de permeabilidad, incrustaciones, lo que reduce la vida útil de las membranas).

https://europemembrane.com/bioreactores-de-membrana-mbr/criterios-de-diseno-de-un-mbr/

Preguntas comparativas

1. ¿Cómo se compara un reactor MBR con los sistemas de lodos activados?

Ambos son procesos de depuración biológica, pero tienen diferencias entre sí:

• El MBR combina un reactor biológico (aerobio o anaerobio) con un sistema de filtración posterior mediante membranas de ultra o microfiltración, mientras que un sistema de depuración biológico por fangos activados utiliza un sistema de clarificación secundaria tras el reactor biológico aerobio.
• En comparación con el proceso de fangos activados, el MBR ocupa menos espacio, al poder trabajar a cargas másicas más elevadas, y no precisar de un clarificador secundario.
• Filtración más segura y eficiente: Mientras que en los sistemas convencionales de lodos activados se utilizan procesos de decantación o, en algunos casos, flotación (DAF), estos métodos pueden presentar problemas si la parte biológica no funciona correctamente. Esto no ocurre en un sistema MBR, ya que las membranas garantizan que los sólidos siempre se mantengan dentro del sistema.
• Eliminación de contaminantes y microorganismos: Los sistemas MBR utilizan membranas de ultrafiltración, que tienen una capacidad de filtrado a nivel de micras. Esto significa que pueden eliminar prácticamente cualquier contaminante.
• Mayor seguridad: La principal ventaja de un MBR es que, si hay algún problema con la parte biológica, el sistema nunca permitirá que los sólidos se escapen al efluente.

2. ¿Cuáles con las diferencias entre un MBR y la ósmosis inversa (RO)?

Ambos son procesos de tratamiento de aguas, pero mientras que un reactor MBR se destina a la eliminación de materia orgánica por procedimientos biológicos, y luego filtra el agua con membranas para eliminar buena parte de los contaminantes en suspensión, el proceso de ósmosis inversa está destinado a obtener aguas de elevada pureza al separar las sales disueltas del agua por efecto de vencer la presión osmótica de la disolución.

3. ¿Es el MBR un sistema adecuado para plantas de tratamiento de aguas residuales a pequeña escala?

El MBR es un proceso que permite construir equipos compactos y modulares que albergan el reactor biológico y los conjuntos de membranas.

Estos equipos están montados y probados en taller, e incluyen además de los componentes electromecánicos, un cuadro de control y potencia para el correcto funcionamiento de la instalación.

Plantas descentralizadas para el tratamiento de aguas residuales

4. ¿Cómo funciona el MBR en combinación con otras tecnologías como la desinfección UV?

Un equipo MBR tiene capacidad para separar una importante proporción de la DQO, pero todavía pueden persistir sustancias tóxicas, virus y bacterias que deben ser eliminados. Si se desea desinfectar, se utilizan distintos sistemas como la cloración, la ozonización y la radiación UV. Este último proceso es el más limpio pues no aporta reactivos ni sustancias oxidantes. En función del grado de eliminación de microorganismos deseado se utilizan equipos de alta o media carga de radiación UV con una efectividad superior al 99,9 %.

5. ¿Cuáles son las diferencias de costes entre un biorreactor de membranas y un tratamiento de aguas residuales convencionales?

Suponiendo que ambos procesos consumen cantidades de O₂ similares para la oxidación biológica de la materia orgánica (aprox. 1,5 – 2 Kg O₂ / Kg DBO), el sistema MBR es más costoso en su instalación y mantenimiento debido a las membranas de UF, las cuales tienen un consumo energético complementario debido a la aireación y bombeo, y un consumo de reactivos adicional para las limpiezas químicas. No obstante, un sistema MBR aporta ahorros en la gestión de fangos en exceso y sobre todo, en la posible reutilización del agua tratada por su alta calidad.

Reutilización de agua depurada mediante reactores (MBR).

6. ¿En qué difieren los procesos MBR y MBBR?

Mientras que en un MBR se utiliza un reactor biológico seguido de un conjunto de membranas filtrantes, en un proceso MBBR se produce una depuración biológica en una o varias etapas con un sistema de reactores aireados cargados con material de relleno (carriers). Estos carriers ofrecen una amplia superficie para ser habitados por las bacterias que se alimentan de la materia orgánica del efluente a tratar.

Un MBBR es más efectivo que un MBR a efectos de oxidación biológica, al mantenerse los carriers en movimiento constante, y limita el exceso de fangos a los sólidos que se desprenden de los carriers. El consumo energético, mantenimiento e implantación son más bajos con el MBBR, pero el agua tratada tiene, por regla general, mejor calidad con el MBR.

7. ¿Por qué un sistema MBR ofrece mejor rendimiento que otros procesos biológicos?

Un reactor biológico de membranas tiene un rendimiento superior a otros procesos biológicos debido a que se trabaja con cargas de biomasa entre 3 y 4 veces superior al estándar, pero la gran diferencia esta en la sustitución de un clarificador secundario por las membranas de ultrafiltración del MBR, las cuales proporcionan una luz de filtración del orden de 0,1 µm facilitando la separación de la totalidad de los sólidos suspendidos, gran parte de los coloides y las moléculas de mayor tamaño, así como la mayor parte de microorganismos, como bacterias y virus, que escapan con el efluente resultante del reactor biológico.

8. ¿Cómo elegimos el tipo de membrana filtrante más adecuado para un proceso MBR?

Las membranas de un reactor MBR dependerán del grado de filtración que se persigue: microfiltración (MF) de 0,1 a 0,4 µm, o de ultrafiltración (UF) de 0,01 a 0,1 µm.

Por otro lado, y dependiendo de la aplicación, se pueden utilizar membranas sumergidas en el biorreactor, con menor consumo energético, pero también menor flujo por m²; o bien membranas externas al reactor. Este tipo es más resistente y permite limpiezas más eficientes, pero tienen mayor coste energético por el bombeo.

Las membranas sumergidas se suelen emplear más en vertidos urbanos, mientras que las externas son más habituales en tratamiento de efluentes industriales.

9 ¿Cuándo se utiliza el MBR en combinación con la flotación DAF?

Es habitual emplear la flotación por aire disuelto como tratamiento primario antes de biorreactor de membranas, sobre todo cuando existen materiales flotantes o restos de aceites y grasas que pueden colmatar las membranas de UF.

Cuando el efluente lo exija, será precisa una coagulación / floculación, a fin de mejorar la separación de material coloidal y de sólidos suspendidos.

10. ¿Qué diferencias hay entre un MBR y un FBR?

En un MBR la clarificación secundaria se sustituye por la filtración con membranas (MF /UF), mientras que en un FBR la clarificación secundaria se lleva a cabo con un sistema DAF tras el reactor biológico. El MBR permite ahorrar espacio, mejorar el rendimiento de depuración y la calidad del agua tratada, y, con el FBR, la concentración de fangos es más elevada y la instalación es más sencilla a efectos de mantenimiento.

Biorreactores de membrana compactos y modulares

1. ¿Cómo funciona un sistema MBR compacto?

Un sistema MBR combina dos procesos principales:

1. Parte biológica. que se divide en dos zonas: Una zona anóxica en la que no se introduce oxígeno, permitiendo la degradación de contaminantes sin la presencia de aire, y una zona aeróbica, donde se introduce oxígeno a través de soplantes, promoviendo la actividad bacteriana que ayuda en la descomposición de los contaminantes orgánicos presentes en el agua.
2. Filtración física mediante membranas: En la parte aerobia del sistema se encuentran las membranas sumergidas, que realizan la filtración física del agua. Esta etapa asegura una alta calidad del efluente, eliminando sólidos y otros contaminantes.

2. ¿Cuáles son las principales aplicaciones de los sistemas MBR compactos?

Las principales aplicaciones de los sistemas MBR compactos son muy variadas, especialmente debido a su capacidad para adaptarse a diferentes necesidades y ubicaciones. Algunos ejemplos clave incluyen:

1. Zonas aisladas: Los sistemas MBR son ideales para lugares remotos o de difícil acceso (zonas rurales o boscosas).
2. Campos de trabajo agrícola: En lugares donde se requieren sistemas de tratamiento de aguas residuales debido a la gran cantidad de trabajadores o actividad en la zona.
3. Instalaciones temporales o móviles: Gracias a su diseño compacto y modular, los sistemas MBR pueden ser transportados e instalados rápidamente.

3. ¿Cuánto espacio ocupa un sistema MBR compacto y modular?

Un sistema MBR compacto y portátil tiene un tamaño similar al de un contenedor de barco, lo que facilita su instalación y movilidad. Además, al ser un sistema plug and play, no requiere montaje adicional, solo conectar el agua de entrada y salida. Su parte interna está premontada.

4. ¿Es costoso un sistema MBR compacto y modular?

Un sistema MBR compacto no es costoso en términos de mantenimiento. Su principal ventaja es que reduce significativamente los costos de gestión de fangos. En los sistemas convencionales, se generan grandes cantidades de fangos, lo que requiere purgas frecuentes y costosas. En cambio, un MBR maneja una mayor concentración de biomasa, produciendo menos fangos. Esto reduce los costos operativos, ya que se necesita gestionar menos volumen de fangos. Aunque la inversión inicial puede ser más alta, los ahorros a largo plazo hacen que el MBR sea más económico y eficiente que los sistemas convencionales.

5. ¿Cuál es la vida útil esperada de un sistema MBR compacto?

Un biorreactor de membranas compacto tiene una vida útil de entre 15 y 25 años, dependiendo del uso y mantenimiento que se le dé.

Es importante mencionar que las membranas tienen una vida útil de entre 8 a 10 años, si se les da un buen mantenimiento. Una vez alcanzado este período, las membranas deberán ser reemplazadas.

6. ¿Es necesario un pretratamiento antes de un sistema MBR?

Es importante también un pretratamiento adecuado del agua antes de que entre al MBR, especialmente para eliminar sólidos mayores a 1 mm, lo que garantiza un funcionamiento óptimo del sistema.