BIORREACTORES DE MEMBRANAS PARA LA DEPURACIÓN Y REUTILIZACIÓN DE AGUAS. Raquel Iglesias Esteban Área de Tecnologías del Agua CEH-CEDEX

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1 BIORREACTORES DE MEMBRANAS PARA LA DEPURACIÓN Y REUTILIZACIÓN DE AGUAS Raquel Iglesias Esteban Área de Tecnologías del Agua CEH-CEDEX 1

2 Número de instalaciones La implantación de la tecnología en España Vertido en zonas sensibles? Reutilización de efluentes depurados Ampliaciones de EDARs Superficies de implantación limitadas MBR-MFH Kubota EDAR de Sabadell-Riu Sec, m 3.d -1 Núnero de MBR total Número de MBR proyectados Número de MBR en construcción Capadidad acumulada, m3 d Año Capacidad acumulada, m 3 d -1 2 Nº de plantas y capacidad acumulada Porcentajes sobre el total del volumen por usos

3 Ventajas frente proceso de fangos activos convencional Requerimiento de espacio: 40-50% menos (MLSS elevadas (12-18 g.l -1 ) MBR vs FAC Sin problemas de decantabilidad del fango (sin D2) Calidad del efluente bueno y constante (UF-MF separación física) Desventajas frente proceso de fangos activos convencional Costes de implantación y explotación mayores (membranas y energía) Ensuciamiento de las membranas Mayores necesidades de automatización Compleja la eliminación de fósforo vía biológica Igual producción de fangos 3

4 Calidad del efluente y su reutilización Calidades del efluente tratado por un sistema de MBR Desinfección (UV; HClO) para asegurar ausencia E.coli Turbidez < 1 UNT; SS < 5 mg.l -1 Puede alimentar una ósmosis inversa 4 Calidades establecidas en el RD 1620/2007

5 Principales características del tratamiento MBR sumergido no integrado Influente Rejas gruesos/finos Tanque homogenización* Decantación Primaria* Reactor biológico Membranas sumergidas Pozo de gruesos Desarenadordesengrasador Tamiz < 3mm urga DN N Bomba * Procesos opcionales Recirculación interna Recirculación externa Diagrama de flujo de un MBR sumergido no integrado Purga urga Espesamiento urga Digestión urga Deshidratación urga Modificación proceso convencional donde el D2 se sustituye por membranas Particularidades de la línea: Pretratamiento, tanque homogenización, recirculación Dos sistemas de aireación: proceso biológico y la etapa de filtración 5

6 Sistemas externos, sumergidos no integrados e integrados Recirculación Purga urga Recirculación Energía Influente Tanque biológico Succión o gravedad Bomba urga Membranas externas Control del sistema: ensuciamiento Recirculación Purga Purga Influente Tanque biológico Permeado Influente Tanque biológico Permeado Membranas sumergidas Bomba Membranas sumergidas Bomba 6

7 Proceso biológico Parámetros diseño y operación: la edad del fango, la carga másica, la concentración de SSLM, la recirculación, la producción de fangos en exceso y la capacidad de aireación. - Permite trabajar a SSLM, hasta 18 g.l -1 pero lo habitual 6-10 g.l Ratio de recirculación: 3 a 5 veces el caudal medio tratado - Eliminación de nutrientes: recirculación interna y externa, precipitación química + Doble recirculación + Tanque de desoxigenación + Aumentar la zona anóxica 7

8 Separación por membranas Los parámetros diseño y operación: Flujo (F); Presión transmembrana (PTM); Permeabilidad (K); Resistencia de la membrana (R); la viscosidad ( ) de este fluido Estas variables están relacionadas por la ecuación de Darcy: F = PTM/(R* ) donde F es el flujo en m 3.m -2.s, la PTM en bar, R en m -1 y en bar.s 8

9 Características de las membranas Clasificación: en función de alguna de sus características como tamaño de poro, el material del que se componen, su morfología o estructura interna. - Ultrafiltración o microfiltración - Polivinilidenofluoruro (PVDF), la politietilsulfona (PES), el polipropileno (PP), el polivinil pirrolidona (PVP) y el polietileno (PE) - Planas, fibras y tubulares - Módulo y bastidor - Sistema de aireación 9

10 Características de las membranas Bastidores y módulos de membrana de placa plana, fibra hueca y tubular Características y parámetros de diseño de MBR según casas comerciales 10 Parámetro Placa plana Fibra hueca Tubulares Dirección de flujo Fuera-dentro Fuera-dentro Dentro-fuera Tipo de flujo Flujo perpendicular Flujo perpendicular Flujo tangencial Sumergida/externa Sumergida Sumergida Externa Refuerzo textil Si Algunas Si Filtración (MF/UF) MF/UF UF UF PTM operación (bar) 0,03-0,1 0,1-0,3 0,1-0,5 Flujo a Qmedio (LMH) Placa plana Fibra hueca Tubulares SAD m (m 3 m-2 h-1 ) 0,20-0,35 0,10-0,38 0,20-0,30

11 Número de instalaciones Sistemas de filtración en España Clasificación de los sistemas comerciales comercializados en España Sumergidas Externas Fibra hueca Lámina plana Tubulares Zenon Kubota Norit X-Flow Siemens-Memcor Toray Koch-Puron Huber Microdyn-Nadir Ecotec Alfa Laval Capacidad y nº de MBR por casas comerciales, Iglesias R., Número de instalaciones Capacidad, m3 d ZENON KUBOTA TORAY HUBER KOCH MICRODYN Casas comerciales Fotos e información cedidas por las casas comerciales Capacidad, m3 d -1

12 Sistemas de filtración. Anexo I Marca (fabricante) CARACTERISTICAS GENERALES ZENON Modelo W500D Tipo de filtración (MF, UF) UF Tipo de configuración (tubular, fibra hueca, plana) Fibra hueca reforzada Modo de filtración (succión, presión, gravedad, sifón) Succión Material de la membrana PVDF Diámetro de poro nominal (micras) 0,034 Tipo de refuerzo Textil Dimensiones del módulo (mxmxm) 2,198 x 0,844 x 0,049 Dimensiones del bastidor (mxmxm) 2,112x1,745x 0,590 Nº de módulos por bastidor < 48 Superficie de membrana por módulo ( m 2 ) 34,37 Superficie de membrana por bastidor ( m 2 ) 1.649,76 Empaquetado del módulo (m 2 membrana /m 3 ) 378 Empaquetado del bastidor (m 2 membrana /m 3 ) 172,84 Dirección del flujo De fuera a dentro Configuración del sistema Sumergido 12

13 Sistemas de filtración. Anexo I 13 DISEÑO Y OPERACIÓN Tipo de pretratamiento necesario Tamizado chapa perforada 1-2 mm Temperatura a la que están referidos los valores de la tabla 20 ºC SSLM (g.l -1 ) tanque membrana 12 Caudal de recirculación habitual 3-4Qm Edad de fango mínima (días) 8 Flujo a caudal medio (L.m -2 h -1 ) Flujo a caudal punta (L.m -2 h -1 ) PTM operación (bar) 0,1 PTM máxima de permeado (bar) 0,9 PTM máxima de contralavado (bar) 0,55 Permeabilidad (L.m -2 h -1 bar -1 ) Tipo de aireación Burbuja gruesa intermitente con ciclos de trabajo 10 aire:10 parada a caudal punta y 10:30 a caudal nominal Caudal de aire (Nm 3.h -1 ) por módulo /bastidor 9,7 / 465 por bastidor en 10:10 4,85/232 por bastidor en 10:30 Presión del aire suministrado (bar) 0,3-0,35 SADm (m 3 aire /m 2 membrana.h) 0,285-0,38 SADp (m 3 aire /m 3 permeado ) 10,5 ( modo 10:10) Ciclos de trabajo (minutos filtrado/relajado, contralavado, etc.) 10 minutos filtración 1 minuto contralavado o relax a caudal nominal Contralavados (con agua filtrada, con aire, etc.) Si. Con agua filtrada

14 Operación de las membranas Control del ensuciamiento de las membranas Eficiencia energética del proceso Puesta en marcha (concentración de MLSS adecuada) Diseño de las instalaciones (estrategia hidráulica, líneas, etc.) Separación físico-química Proceso de ensuciamiento Sistemas de aireación 14

15 Control del ensuciamiento Tipo de membrana (resistentes al ensuciamiento y químicos) Características el agua a tratar (hidrocarburos, acetonas o disolventes) Pretratamientos (1mm FH y 2 mm PP) Estrategias de operación (ciclos de filtración10:1; PTM: 0,1 bar; LMH:25 ) Protocolos de limpieza (química y física a través de la aireación, 10:10 o 10:30) 15 Fotos cedidas por ESAMUR

16 En función del tipo de membrana: FH y PP Protocolos de limpieza física y química Fibra hueca: - Física: (10min:1min) contralavados, relajación y aireación en discontinuo 10:10-10:30 seg - Química: + mantenimiento 250 mg.l -1 hipoclorito y mg.l -1 acido cítrico + recuperación: mg.l -1 hipoclorito y mg.l -1 de ácido cítrico Placa plana: - Física: (9min:1min) relajación y aireación en continuo - Química: hipoclorito sódico (12% de pureza y con una dilución al 5%) y ácido oxálico u ácido cítrico (0,5 y el 1 %) 16

17 Eficiencia energética Adaptar las concentraciones de MLSS lo más bajas posibles Bajar caudales de recirculación Edades de fango suficientes para tener una buena permeabilidad (8 días) Puntos de control del proceso biológico 17 ESAMUR

18 Eficiencia energética Puntos de control del proceso de filtración Consumo energético de un MBR es 1,5-2 veces mayor que un convencional Calidad efluente/energía (Convencional + Regeneración con membranas) es similar La aireación supone el 60% de la energía consumida por el MBR 18 Los sistemas de control del proceso de filtración son básicos y poco flexibles

19 Eficiencia energética Control integrado procesos biológico-filtración, Ferrero et al 2012 Trabajar con flujos lo más elevados posibles Ajustar los ciclos de aireación (patentes: Siemens, GE, ITT, ICRA-LEQUIA) 19

20 Diseño y operación de plantas españolas Parámetros de diseño proceso biológico de MBR españoles, 2011 Parámetro Abreviación Unidad Valores habituales Max-Min Placa plana Fibra hueca Concentración de fangos SSLM g L (1) 5-10 < 7,5 Coeficiente alfa α 0,35-0,5 - - Edad del fango SRT d > Recirculación Qr % (1) en función del espacio Parámetros de diseño del proceso de filtración de MBR españoles,

21 Consumos energéticos Parámetros de funcionamiento y consumos energéticos de MBR españoles, 2011 El consumo energético por m 3 de agua tratada pueden situarse por debajo de 1 kwh para plantas que tratan más del 50% del caudal de diseño y tratan cargas normales de DBO 5 21

22 Problemas detectados en la operación 22

23 Recomendaciones para el diseño Controles del proceso abiertos no dependiendo de las casas comerciales Caudal a tratar por las membranas lo más constante posible ( tanque de laminación, líneas de membranas independientes o sistemas duales) Periféricos (Bombas sumergibles de baja carga, soplantes, difusores, etc.) Deflectores en la entrada de las líneas de las membranas Zonas anexas para hacer inspecciones de los bastidores (grúas bastidor mojado). Sistema de membrana dimensionado para tratar caudal punta diario con una línea de membranas parada. 23 Fotos cedidas por ESAMUR

24 Costes de implantación MBR construidos del 2007 al 2011 EDAR Capacidad m 3.d -1 Capacidad h-e Costes de implantación y operación Tipo de proceso (1) Tipo de membranas Superficie membranas m 2 Coste.m 3.d -1 Coste.h-e -1 Vallvidrera N-D+P Fibra hueca Vacarisses N-D+P Fibra hueca Mar menor AP-N-D Placa plana Riquelme AP-N-D Placa plana El Valle AP-N-D Placa plana San Pedro AP-N-D Fibra hueca (1) N-D+P: proceso convencional con eliminación de nitrógeno vía biológica en una etapa más eliminación de fósforo por precipitación química: AP-N-D: aireación prolongada con eliminación de nitrógeno vía biológica en una etapa. 24 El coste de implantación de m -3.d -1 y h-e -1 en capacidades de a m 3.d -1

25 Costes de explotación de plantas MBR, año EDAR Capacidad m 3.d -1 Costes de implantación y operación Tratado m 3.d -1.m -3.kg DBO 5-1 eleminado Tratamiento fango (1) Vallvidrera ,460 2,9 Compostaje Vacarisses ,577 4,9 Compostaje Mar menor ,480 3,8 Riquelme , El Valle , San Pedro ,241 1,5 Aplicación agricultura Aplicación agricultura Aplicación agricultura Aplicación agricultura - Los fangos suponen entre el 20% y el 30% de los costes totales de explotación, coste medio del tratamiento de 15 a 20 euros por tonelada de materia húmeda de fango para la aplicación en agricultura, 30 a 35 euros por tonelada de materia húmeda de fango para el compostaje y de 40 a 60 euros. - Los costes de explotación por m 3 de agua tratada pueden situarse entre 0,2-0,5.m -3 para plantas que tratan más del 50% del caudal de diseño y tratan cargas normales de DBO 5 en plantas con capacidades de diseño por debajo de los m 3.d Los coste de explotación en relación a la energía se situaría entre los 0,06 y los 0,13.m

26 Criterios de implantación Tipo de contaminación a tratar Costes de implantación en.m -3.d -1 de MBR frente a los de aireación prolongada con distintos tratamientos de regeneración Rango de población Calidad del efluente Variaciones de caudal Impactos ambientales Costes de implantación y explotación - Energía consumid - Durabilidad de las membranas Tecnología Consumo energético (kwh.m -3 ) MBR, con eliminación de nutrientes < 1 Aireación Prolongada, con eliminación de nutrientes 0,4-0,8 Aireación Prolongada, con eliminación de nutrientes + Tratamiento regeneración convencional 0,6-1,0 26 Aireación Prolongada, con eliminación de nutrientes + Tratamiento regeneración avanzado 1-1,2

27 Opción frente otras tecnologías de depuración Vertidos en zonas con una sensibilidad ambiental Reutilizar el agua depurada Disponibilidad de terrenos limitados Como pretratamiento de ósmosis o EDR con objeto de reutilizar el agua En instalaciones hoteleras, complejos de ocio o similar, donde se precisan tratamientos compactos y fáciles de cubrir 27 EDAR de MBR de San Pedro del Pinatar (Murcia)

28 CEDEX-ESAMUR-ACA-ICRA, 2014 Nº168, 2012 Gracias por su atención 28