Hacia un MBR sostenible: Reducción del ensuciamiento en Biorreactores de membrana

Transcripción

1 Hacia un MBR sostenible: Reducción del ensuciamiento en Biorreactores de membrana Jose Antonio Mendoza Roca M. Amparo Bes Piá Valencia, 11 marzo de 2014

2 Índice presentación Introducción Concepto MBR Configuraciones Aplicaciones Ventajas e inconvenientes Causas del ensuciamiento? Acciones para reducir ensuciamiento

3 Introducción Biorreactor de membrana (BRM) Variante del proceso de fangos activos. Separación de la biomasa mediante ultrafiltración o microfiltración. Problemas FA: bulking en el decantador secundario. Sustitución decantación por flotación: aumentan costes y problemas de calidad del agua. Reactor Biológico Decantador Alimentación Licor de mezcla Efluente Recirculación de fangos Purga Esquema proceso de fangos activos

4 Introducción Ventajas BRM Evita bulking mayor calidad en agua depurada. Coliformes < 2,5 u/100ml Turbidez < 0,5 NTU Permite mantener más biomasa en el reactor, por lo que supone ahorro de espacio. Baja producción de fangos

5 Introducción Aplicaciones Cooperativa La Purísima, bodegas (Yecla): Caudal: 15 m 3 /día. 8 módulos. Natraceutical, extractos vegetales (Quart de Poblet). Caudal: 120 m 3 /h. 71 módulos (*) TAVEX textil (Alginet). Caudal: 1440 m 3 /día (*) EDARU Calasparra. Caudal: 2000 m 3 /día. EDARU San Pedro del Pinatar. Caudal: m 3 /día. EDARU Loriguilla. Caudal: m 3 /día

6 Introducción Biorreactor de membrana (BRM) Tamaño de poro membranas Membranas Planas Microfiltración 0,1-0,5 mm Ultrafiltración 0,01-0,05 mm Fibra hueca Planas

7 Configuraciones MBR BRM con membranas no sumergidas Agua residual Rechazo Permeado BRM con membranas sumergidas Permeado Agua Residual Membranas de la EDAR Lorca

8 Configuraciones MBR BRM con membranas no sumergidas Agua residual Rechazo Membranas de UF de MICROCLEAR. Instalación de Natraceutical (MP Medioambiente) Permeado BRM con membranas sumergidas Permeado Agua Residual

9 Membranas dentro del reactor ZENON. Tecnología MBR ZeeWeed. Diseño Modular Simple Zona de equipos Zona de membranas Zona aeróbica Zona anóxica Canal Distribución influente Influente tamizado Canal de distribución del caudal Tubería común de recirculación del licor mezcla

10 Módulo con membranas ZEEWEED 500 de Zenon CASSETTE MÓDULO Fibras de 1,9 mm de diámetro exterior

11 Membranas Puron (KMS). Fibra hueca de UF.

12 Membranas planas.

13 Bodegas Murviedro. Membranas planas.

14 Introducción Desventajas? Ensuciamiento membranas Costes de aireación Costes bombeo Jp PTM Ciclos limpieza Membranas de fibra hueca sucias

15 Causas del ensuciamiento? Ensuciamiento membranas del BRM Características membrana Características licor de mezcla Condiciones operación MBR Parámetros físicos Parámetros biológicos Quorum Sensing Parámetros químicos EPS = e-eps + SMP Aireación Carga másica Edad fango Tiempo de retención hidráulico

16 Cómo controlar el ensuciamiento? BIOFOULING Operating Conditions MIXED LIQUOR BIOFILM MEMBRANE Promote Quorum Quenching Membrane modification MEMBRANE BIOREACTOR Caracterización del licor de mezcla

17 Caracterización del licor de mezcla Parámetros físicos Características licor mezcla Parámetros físicos Parámetros químicos Parámetros biológicos Sólidos en suspensión en el licor de mezcla (filtración a 0,45 µm) (x2) Sólidos en suspensión volátiles en el licor de mezcla (x2) Tiempo de succión capilar (x2) Viscosidad (x1) V30 (volumen sedimentado a los 30 minutos/unidad de masa de fango) (x1) Potencial Z del sobrenadante del licor del fango (x3) Distribución de tamaño de partícula del licor del fango (x3) Las resistencias del licor de mezcla a la MF o UF(x3)

18 Caracterización del licor de mezcla Parámetros físicos Las resistencias del licor de mezcla a las membrana Modelo: Bae, T.H. y Tak, T.M (Rc, Rf y Rt) Condiciones de operación: MBR de Loriguilla Membrana de Microfiltración (KUBOTA), A= 0,11 m 2.

19 Caracterización del licor de mezcla Parámetros químicos Características licor mezcla Parámetros físicos Parámetros químicos EPS Parámetros biológicos Qué son las EPS?

20 Qué son las EPS? Sustancias poliméricas extracelulares EPS, Extracellular polymeric substances Hidrólisis e de extraídas eeps Célula SMP Licor de mezcla Flóculos Difusión productos solubles microbianos eeps SMP EPS Proteínas Carbohidratos Proteínas Carbohidratos

21 Cómo separar las EPS? Cómo extraer las EPS? Hidrólisis eeps Métodos de extracción eeps Célula SMP e de extraídas Físicos Químicos Combinaciones Difusión Ácidos nucleicos (ADN) 1. Problemas? Extracción agresiva Rotura membrana celular Salida ácidos nucleicos 2. Interferencias métodos extracción y métodos analíticos Consecuencias? Concentraciones erróneas Proteínas y Carbohidratos!!!

22 Métodos de extracción eeps Fango diluido a 1 g SSV/L Centrifugación xg, 15 min, 4ºC productos solubles microbianos SMP Resuspender los pellets con tampón Tris-HCl Centrifugación xg, 15 min, 4ºC Métodos de Extracción Desechar el sobrenadante CER Homogeneiz. 0,5 % Triton X-100 CER Ultra-turrax 4 min, 4ºC 8000 xg Ultra-turrax 2 min, 4ºC xg Triton X h, 4ºC 500 rpm 70gCER/gVSS 1 h 4ºC 800 rpm 4 h 4ºC 70gCER/gVSS 800 rpm Ultra-Turrax, 2 min, 4ºC, xg Centrifugación 15 min, 4 ºC, 20000xg eeps 1 Triton X-100, 1 h, 4ºC, 500 rpm 70gCER/gVSS 1 h 4ºC, 800 rpm Centrifugación 15 min, 4 ºC, xg eeps 1 eeps 2 eeps 2 eeps 2

23 Métodos de extracción eeps Equipos Centrífuga (12000 g 4ºC) Ultraturrax g CER TRITÓN

24 Caracterización del licor de mezcla Parámetros químicos Procesos de extracción de EPS contenidos en el licor de mezcla. Características licor mezcla Parámetros físicos Parámetros químicos Parámetros biológicos SMP EPS e-eps Métodos extracción H + CER H TRITÓN CER 1+2

25 Caracterización del licor de mezcla Parámetros químicos Características licor mezcla Parámetros físicos Parámetros químicos Parámetros biológicos SMP EPS e-eps Métodos extracción Métodos análisis PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS ADN

26 Métodos analíticos Métodos analíticos Proteínas Método BCA ácido bicinconínico Método LOWRY Carbohidratos Método ANTRONA Método DUBOIS ADN Método HS (0,2-100 ng) Método BR ( ng)

27 Caracterización del licor de mezcla Parámetros químicos Características licor mezcla Parámetros físicos Parámetros químicos Parámetros biológicos SMP EPS e-eps Métodos extracción Influence of extraction methods on proteins and carbohydrates analysis from MBR activated sludge flocs in view of improving EPS determination Métodos análisis PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS ADN *SEPPUR 112 (2013) 1 10

28 Comparación métodos análisis y ópticos Parámetros químicos Características licor mezcla Parámetros físicos Parámetros químicos Parámetros biológicos SMP EPS e-eps Métodos extracción Métodos análisis PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS ADN Métodos Ópticos PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS ADN

29 Métodos ópticos Protocolos de tinción Referencia bibliográfica O. Nosyk, et al. F.Y. Sun, X.M. et al e-eps Proteínas Carbohidratos ADN FITC, l 490/510 nm NanoOrange, l 560/585 nm TRITC-Con A 0.1 g/l, l 505/543 nm TRITC-Con A 0.25 g/l, l 505/543 nm DAPI l 350/470 nm SYTO 9, l 505/530 nm Fijación células (Formaldehido 3,7%) Protocolos tinción Tabla Observación muestras Análisis imagen Programa Matlab (Autor: Borrás) Microscopio Olympus BX50F

30 Caracterización del licor de mezcla Caracterización biológica Características licor mezcla Parámetros físicos Parámetros químicos Parámetros biológicos Viabilidad celular Kit: LIVE/DEAD BaclightTM bacterial viability Mol. Probes Microscopio BX50F (Olympus) DP10 adquisición imágenes Programa BioImageL v. 2.1 análisis de las imágenes

31 Cómo controlar el ensuciamiento? BIOFOULING Operating Conditions MIXED LIQUOR BIOFILM MEMBRANE Promote Quorum Quenching Membrane modification MEMBRANE BIOREACTOR Qué es el BIOFILM o BIOPELÍCULA? Por qué se forma el BIOFILM?...Quorum Sensing

32 Cómo controlar el ensuciamiento? Qué es el Quorum Sensing (QS)? Interacciones entre diferentes poblaciones bacterianas que forman la BIOPELÍCULA. Autoinductores N-Acyl homoserine lactose (AHL) Cómo evitar el Quorum Sensing?...favoreciendo el Quorum Quenching

33 Cómo controlar el ensuciamiento? Qué es el Quorum Quenching (QQ)? La inhibición de las interacciones entre diferentes poblaciones bacterianas que forman la BIOPELÍCULA. Cómo favorecer el QQ? Para ello hay que indentificar y aislar los microorganismos formadores de Biofilm y determinar las enzimas (acylase enzyme) que inhiben el QS (QQ) para reducir la BIOPELÍCULA. Enzimas Autoinductores Enzimas

34 Conclusiones Los BRM se caracterizan por la calidad del agua depurada en comparación con otras técnicas. Se trata de una técnica de alto coste por el elevado consumo energético y el ensuciamiento de la membrana. La caracterización exhaustiva del licor de mezcla es el primer paso a seguir para reducir el ensuciamiento de las membranas y hacer del BRM una tecnología más sostenible.

35 Gracias por su atención!