Estudio de optimización energética de MBR S para la depuración y reutilización de aguas residuales urbanas: Aplicación de la tecnología de la electrocoagulación.
INDICE Objetivos Material y métodos Electrocoagulación Descripción de la planta piloto MBR Fase experimental Resultados Conclusiones
OBJETIVOS Optimización del consumo energético Minimizar el ensuciamiento de los MBRs mediante la aplicación de la tecnología de la electrocoagulación Estudio de los rendimientos de depuración en cuanto a: Materia orgánica (DQO) Nutrientes (Nitrógeno y fósforo) Contaminación fecal (E. coli) Contaminantes emergentes
MATERIAL Y METODOS Este estudio ha sido promovido por ESAMUR y realizado con la colaboración de la Universidad de Alicante junto con Red Control y Urdemasa. ELECTROCOAGULACIÓN Proceso de desestabilización de los contaminantes del agua en suspensión, emulsionados o disueltos, a través de la acción de corriente mediante electrodos, favoreciendo así su floculación. El estudio pretende comprobar si a través de la aplicación de este método se puede reducir el ensuciamiento (fouling) de las membranas de los MBRs.
(Martínez, F., 2007)
UBICACIÓN DEL ESTUDIO Estudio piloto realizado con agua pretratada de la EDAR de Santomera (Zona Levante, Murcia), procedente de la salida del desbaste y tamizado y previa a la entrada a los desarenadores-desengrasadores.
Características EDAR Santomera: Influente Caudal tratado: 1.140.000 m 3 /año. Proceso: pretratamiento, fangos activos (sistema Orbal), decantación secundaria, filtro textil y desinfección UV.
PLANTA PILOTO SMEBR La planta piloto empleada en este estudio ha sido una modificación ex profeso para el mismo, y ha sido creada por el Catedrático Daniel Prats, Coordinador de proyectos y desarrollo del IUACA de la Universidad de Alicante, y el Dr. Ing. Arturo Trapote profesor titular de Ingeniería Hidráulica del departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Alicante. La responsable del control de esta planta piloto ha sido la Investigadora Lyvia Mendes del IUACA de la Universidad de Alicante.
Ánodo Cátodo
Afluente Temp. O.D. Bomba de alimentación PTM Bomba de aireación SMEBR Bomba de permeado Nivel Bomba de purga Efluente Tanque permeado Membrana de ultrafiltración V reactor: 625 litros Sup. Filtración: 6,25 m 2 Permeabilidad: 20 L/m 2 h bar Flujo: 6 L/m 2 h ON/OFF EC: 5 min/10 min Ánodo: aluminio Cátodo: Acero INOX 316 Límite PTM: 0,4 bar
La planta piloto MBR se instaló junto a los canales desarenadoresdesengrasadores de la EDAR de Santomera, siendo alimentada con el agua de entrada de estos. salida permeado bombeo agua bruta planta piloto de membranas SMEBR bombeo recirculación/purga desarenador
FASE EXPERIMENTAL El estudio de inició el 29 de Julio de 2016 y finalizó el 19 de Mayo de 2017. Se operó de la siguiente manera: Fase 1: Operación sin electrocoagulación Fase 2: Operación a intensidad estándar (10 A/m 2 ) Fase 3: Operación a intensidad 50% inferior a la estándar (5 A/m 2 ) Fase 4: Operación a intensidad 50% superior a la estándar (15 A/m 2 ) Las muestras analizadas se tomaron en la entrada y salida de la planta piloto y se compararon con muestras de la entrada y salida de la EDAR
Los parámetros analizados tanto en el influente como en el efluente son: DQO Nitrógeno total Fosforo total Contaminación fecal (medida como E. coli) Contaminantes emergentes Insecticidas (Acetamiprid) Analgésicos y antiinflamatorios (Acetaminofeno y Diclofenac) Antiepilépticos (Carbamazepina) Fungicidas (Tiabendazol) Antibióticos (Ofloxacina, Trimetropim, Eritromicina y Claritromicina) Estimulantes (Cafeína) Del fango activo de la planta piloto y de la EDAR se han analizado: EPS totales (Proteínas, azucares y sustancias húmicas)
RESULTADOS Parámetros que no se ven afectados por la electrocoagulación: ph Conductividad Índice de Zenon Contaminantes emergentes que no aparecen en el influente: Eritromicina Trimetroprim Claritromicina Acetamiprid Ofloxacina Tiabendazol
Voltaje (V) Consumo energético Con 5 y 10 A/m 2 el consumo energético es similar. Con 15 25 20 A/m 2 el consumo C ECmedio = 2,82 kwh/m 3 aumenta 15 considerablemente 10 C ECmedio = 0,89 kwh/m 3 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Días de operación C ECmedio = 0,32 kwh/m 3 5 A/m2 10 A/m2 15 A/m2
PTM (bar) Ensuciamiento de la membrana (fouling) Se produce un aumento en la PTM a medida que se va ensuciando la membrana. -0,45-0,4-0,35-0,3-0,25 DC= 0 A/m 2 DC= 10 A/m 2 DC= 5 A/m 2 DC= 15 A/m 2 ΔP= 0,81 kpa/día ΔP= 0,22 kpa/día ΔP= 0,36 kpa/día ΔP= 0,75 kpa/día Cuando se aplica la electrocoagulación el incremento de la PTM es menor -0,2-0,15-0,1-0,05 0 ΔP= 3,69 kpa/día ΔP= 0,26 kpa/día 1 18 29 66 96 106 117 127 137 274 285 Período de Operación (días)
DQO (mg/l) Eliminación (%) DQO El rendimiento de eliminación de la 750 DC= 0 A/m 2 DC= 10 A/m 2 DC= 5 A/m 2 DC= 0 A/m 2 DC= 15 A/m 2 100,0 90,0 DQO no se ve 80,0 afectado por el 70,0 proceso de 500 60,0 electrocoagulación. 50,0 40,0 250 30,0 20,0 10,0 0 49 64 74 88 95 102 110 115 125 133 140 252 257 264 272 280 285 294 0,0 Período de Operación (días) Influente Efluente Eliminación Global (%)
Nitrógeno Total (mg/l) Eliminación (%) Nitrógeno El rendimiento de eliminación del Nt 120 DC= 0 DC= 10 A/m 2 DC= 5 A/m 2 DC= 0 A/m 2 DC= 15 A/m 2 A/m 2 70 no se ve afectado 100 60 por el proceso de electrocoagulación. 80 50 40 60 30 40 20 20 10 0 49 64 74 88 95 102 110 115 125 137 143 257 264 272 280 285 294 Período de Operación (días) Influente Efluente Eliminación Global (%) 0
Fósforo Total (mg/l) Eliminación (%) Fosforo El rendimiento de DC= 0 A/m 2 DC= 10 A/m 2 DC= 5 A/m 2 DC= 0 A/m 2 DC= 15 A/m 2 100 eliminación del Pt es 14 90 del 99% con una 12 80 intensidad de 10 70 electrocoagulación superior a 10 A/m 2 8 6 60 50 40 4 30 20 2 10 0 49 64 74 88 95 102 110 115 125 133 140 252 257 264 272 280 285 294 Período de Operación (días) Influente Efluente Eliminación Global (%) 0
E. coli La eliminación de coliformes fecales es del 100% tanto con la aplicación de la electrocoagulación como sin ella. 4,50E+06 4,00E+06 3,50E+06 3,00E+06 2,50E+06 2,00E+06 1,50E+06 DC= 0 A/m 2 DC= 5 A/m 2 DC= 10 A/m 2 DC= 15 A/m 2 1,00E+06 5,00E+05 0,00E+00 Influente piloto Efluente piloto
El rendimiento de eliminación de DQO en la EDAR y en la planta piloto son muy similares. La eliminación de Nt presenta mejores valores en la EDAR que en la planta piloto. El Pt se elimina de forma mas eficiente con la aplicación de la electrocoagulación. % 100 90 80 70 60 50 40 30 99,2 98,9 96,1 94,4 94,3 92,6 90,5 90,3 91,2 81,8 70,8 50,4 44,3 41,1 39,7 DQO N Total P Total Promedio EDAR Promedio sin EC Promedio EC - 5 A/m2 Promedio con EC - 10A/m2 Promedio EC - 15 A/m2
Contaminantes emergentes Los resultados obtenidos con la electrocoagulación con intensidades de 5 y 15 A/m 2 no han sido concluyentes. Los contaminantes emergentes cuya eliminación ha sido más efectiva que en la EDAR son el acetominofeno y la carbamazepina. % Eliminación 100 90 99,0 90,2 89,0 90,4 80 73,2 74,2 70,9 70 60 50,0 50 40 37,9 30 20 10 7,0 1,5 0 Acetominofeno Diclofenac Carbamazepina Cafeina Promedio EDAR Promedio sin EC Promedio con EC - 10A/m2 90,1
mg/g SSVLM Sustancias poliméricas extracelulares (EPS) Durante la fase de 1.400 DC= 0 A/m 2 DC= 10 A/m 2 DC= 5 A/m 2 DC= 15 A/m 2 puesta en marcha, las EPS presentaron valores elevados debido a que el sistema no estaba estables. 1.200 1.000 800 600 400 200 0 1-8 8-8 3-10 10-4 19-4 27-10 7-11 17-11 28-11 1-12 8-12 13-12 16-12 4-5 10-5 15-5 18-5 Proteínas (mg/g SSVLM) Azúcares (mg/g SSVLM) Sustáncias Húmicas (mg/g SSVLM) EPS totales (mg/g SSVLM)
Sustancias poliméricas extracelulares (EPS) Con la aplicación de la EC se produce un aumento en la concentración de las EPS en licor mezcla. mg/g SSVLM 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 EPS totales Proteínas Azúcares Sustáncias Húmicas Promedio sin EC Promedio EC - 5 A/m3 Promedio EC - 10 A/m2 Promedio EC - 15 A/m4
Índice volumétrico del fango (IVF) MBR 0 A/m 2 Valores IVF: EDAR: 185 ml/l Sin EC: 195 ml/l Con EC - 5 A/m 2 : 147 ml/l Con EC - 10 A/m 2 : 117 ml/l Con EC - 15 A/m 2 : 101 ml/l Influente Reactor Efluente SMEBR 15 A/m 2 Influente Reactor Efluente Tras aplicar la EC, se observa una mayor formación de flóculos y una mejor sedimentabilidad del fango.
CONCLUSIONES Con la aplicación de la electrocoagulación se observa un menor incremento diario de la PTM, lo que conlleva una disminución del ensuciamiento de la membrana, reduciéndose así los ciclos de limpieza, facilitando su mantenimiento. La aplicación de la intensidad de 5 A/m 2 supone un ahorro energético del 89% respecto a la intensidad de 15 A/m 2, obteniendo una calidad del efluente muy similar. Cabe destacar que la electrocoagulación mejora notablemente el rendimiento de eliminación del fósforo llegando a valores del 90-99%. Para el resto de parámetros no se observan diferencias apreciables.
De los contaminantes emergentes que aparecen en el influente, el acetominofeno y la carbamazepina son los que mejores rendimientos de eliminación presentan con la aplicación de la electrocoagulación comparado con los resultados obtenidos tanto para la EDAR, como sin la aplicación de electrocoagulación en la planta piloto. Debemos resaltar que la electrocoagulación provoca el aumento de los EPS en el licor mezcla, ya que con esta técnica se favorece la formación de agregados más grandes, impidiendo que atraviesen las membranas, quedando estos en el fango. Con la aplicación de la EC se observó una mejor sedimentabilidad del fango y un lodo más compacto y estable.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN