Las tecnologías para el tratamiento de aguas
residuales y para su reutilización abarcan un número enorme de opciones.
Comparados con los procesos convencionales de tratamiento de las aguas
residuales, los biorreactores con membrana (MBR) ofrecen muchas ventajas: alta
eficiencia de remoción, baja producción de lodos y uso de menores espacios para
su instalación. A pesar de que la tecnología MBR se presenta como una novedosa
forma de depuración de las aguas, su investigación y comercialización comenzó
hace unos treinta años, cuando se empezó a considerar como un sistema óptimo
para el tratamiento de las aguas residuales la combinación de membranas y un
proceso biológico
En la década de los setenta la tecnología entró por
primera vez en el mercado japonés gracias a un acuerdo entre las compañías
Dorr-Oliver y Sanki Engineering. En el año 1993, treinta y nueve de estos MBR
con configuración externa se habían difundido y tenían diversas aplicaciones en
el tratamiento de aguas sanitarias e industriales. Actualmente, los sistemas
MBR se usan extensamente en Japón, y varias compañías ofrecen procesos para el
tratamiento y reutilización del agua y para varias aplicaciones industriales,
principalmente en industria alimentaria y de bebidas en las que son comunes
valores elevados de DQO1.
Existen alrededor de quinientos MBR comerciales que
operan en diversas partes del mundo, y muchos otros en fase de proyecto o
construcción. Los países en los que más se ha extendido esta tecnología son
Japón (que cuenta con aproximadamente las dos terceras partes de los procesos
en el mundo), América del Norte y Europa. Casi todos los sistemas complementan
el proceso de separación de membrana con un proceso biológico que requiere
oxígeno, y más de la mitad de estos sistemas comerciales tienen la membrana
sumergida en el biorreactor, mientras que los restantes la tienen externa.
¿Qué son los sistemas MBR?
Un MBR se compone de dos partes integradas en una
sola: por un lado, el reactor biológico responsable de la depuración biológica
y, por otro, la separación física de la biomasa y el agua mediante un sistema
de filtración directa hecha con membranas. La ventaja de los sistemas MBR se
deriva de las elevadas concentraciones de biomasa con las que se trabaja en el
reactor biológico gracias a la presencia de una barrera física (membrana) que
no deja pasar las bacterias. El reactor es operado de manera similar a un
proceso convencional de lodos activados, pero sin que sea necesaria una etapa
secundaria, como la clarificación, o una terciaria, como la filtración con
arena. Una vez seleccionada la tecnología MBR como la indicada para un proyecto
concreto, es momento de analizar la configuración más adecuada según un
criterio técnico y económico.
Biorreactores de mebranas vs tecnologías
convencionales
Las técnicas biológicas de tratamiento de aguas
residuales son muy antiguas y se vienen usando desde hace aproximadamente cien
años. De todos los procesos que se han desarrollado para el tratamiento de las
aguas residuales, el sistema convencional de lodos activados ha sido el más
empleado. En un principio, la tecnología de membrana tenía limitado su uso y
solamente se usaba como un añadido en el proceso convencional. La
microfiltración, la ultrafiltración y la osmosis inversa se utilizaron en áreas
donde había requerimientos de vertido muy rigurosos o donde se pretendía
reutilizar el agua depurada. Los principales factores que limitaron el
desarrollo de la tecnología de membrana fueron el elevado costo de inversión y
de operación y el inadecuado conocimiento de las ventajas potenciales de las
membranas en el tratamiento de las aguas residuales. Sin embargo, la aparición
de módulos de membrana menos costosos y más efectivos, junto con el
endurecimiento de los requisitos de vertido, hicieron que se volviera a tener
interés en la tecnología de membrana. El balance económico es favorable a los MBR
si se tiene en cuenta una serie de ventajas importantes, al margen de la
excelente calidad de agua tratada que se consigue. De este modo, la tecnología
MBR es especialmente valiosa frente a las otras tecnologías por las siguientes
características:
Hay una retención eficaz de los sólidos suspendidos
y de los compuestos más solubles dentro del biorreactor, lo que proporciona un
efluente de excelente calidad y potencialmente reutilizable que cumple los
requisitos de vertido más rigurosos.
Se logra la retención de las bacterias y virus y un
efluente estéril, lo que elimina la necesidad de llevar a cabo costosos
procesos de desinfección, eliminando también la peligrosidad que llevan
asociada los productos de la desinfección.
La ausencia del clarificador, que también actúa
como un selector natural de la población bacteriana, permite que se desarrollen
bacterias de crecimiento lento y que persistan en el biorreactor.
La mayor parte de las plantas MBR operan a edades
de lodo de 40 días o superiores. Estas edades de lodo elevadas puede reducir en
40% la producción de lodo, con la consiguiente reducción de los costos de
operación.
¿Cómo elegir la configuración de un MBR?
No existe una forma universal y única de acoplamiento
entre un reactor biológico y la separación de líquidos y sólidos. Tampoco
existe un tipo de MBR que sea claramente superior a otra. Hay en el mercado una
multitud de opciones cuya elección dependerá de los requerimientos del usuario
según un criterio técnico y económico. Sin embargo, un aspecto importante a
considerar en la elección de la tecnología es la configuración del MBR.
Distinguimos dos tipos principales de biorreactores de membrana con base en su
configuración:
De membrana integrada o sumergida. La unidad de membrana
que realiza la separación física está inmersa en el tanque biológico. Se
obtiene la fuerza impulsora a través de la membrana presurizando el biorreactor
o creando una presión negativa en el lado permeado de la membrana. Generalmente
se coloca un difusor de aire justo debajo del módulo de la membrana para
suministrar el aire necesario para homogeneizar el contenido del tanque, para
el proceso biológico y para la propia limpieza de la membrana.
MBR externo o con recirculación. Esta configuración MBR
implica que la mezcla es recirculada desde el biorreactor hasta la unidad de
membrana que se dispone externamente a la unidad biológica. La fuerza impulsora
es la presión creada por la alta velocidad del flujo a través de la superficie
de la membrana (Figura 2).
La aparición de membranas poliméricas menos costosas y
más resistentes y los requerimientos de presión menores y la obtención de un
flujo permeado mayor, han aumentado el uso mundial de los MBR sumergidos.
Se han usado varios tipos y configuraciones de membranas
en el proceso MBR: a) según su forma, se pueden encontrar unidades MBR con
membranas planas, tubulares, de disco rotatorio o de fibra hueca; b) atendiendo
a su composición, pueden ser orgánicas o inorgánicas (cerámicas,
fundamentalmente); c) respecto al tamaño de poro, pueden ser de microfiltración
(separa sustancias suspendidas de hasta una décima de micra) o de
ultrafiltración (elimina sustancias suspendidas de hasta un centésimo de micra).
La composición del agua de alimentación juega un papel importante al momento de
seleccionar el tipo de membrana. Asimismo, para obtener un rendimiento óptimo
las membranas usadas en la unidad MBR deben satisfacer una serie de criterios:
ser inertes y biodegradables, fáciles de limpiar y de regenerar, resistentes a
los agentes químicos y a las presiones y temperaturas elevadas, con poros
uniformes y elevada porosidad, neutras o con carga negativa para evitar la
adsorción de los microorganismos, y ser duraderas y fáciles de remplazar.
Aspectos técnicos y económicos en un MBR
Al momento de decidir qué MBR utilizar, hay que
considerar el costo global (inversión, explotación) de la solución y su
durabilidad (capacidad de evolución, producción de lodos, etc.).
Equipos electromecánicos
Uno de los costos importantes en un MBR es el debido
propiamente al sistema de filtración, ya que este involucra bombas, tuberías e
instrumentación asociada y oscila entre 10 y 35% del total de la instalación
para el tratamiento biológico. Este costo varía y depende fundamentalmente de
la dimensión del módulo (origen y composición del agua residual y temperatura)
y del diseño de las membranas (material, composición, configuración, etc.).
Áreas de aplicación
Las principales áreas de aplicación e investigación para
los MBR son a la fecha seis: revisiones críticas, aspectos fundamentales,
tratamiento de aguas residuales municipales y domésticas, aguas residuales
industriales, tratamiento para purificación de agua y otras, las cuales
incluyen la remoción de gas, el tratamiento de lodos y la producción de
hidrógeno. Con lo anterior, se puede observar que la aplicación e investigación
en este campo está cobrando una importancia extraordinaria ya que la
profundización en los fundamentos de la tecnología es básica para lograr un
óptimo rendimiento de los MBR.