Sistema de membranas

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.