Optimización del rector de biopelícula soportada y oxigenada por membranas para el tratamiento de aguas residuales
- Autores: Patricia Pérez Calleja
- Directores de la Tesis: Luis Larrea Urcola (dir. tes.), Ana Lorena Esteban García (dir. tes.), Iñaki Tejero Monzón (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Número de páginas: 229
- Títulos paralelos:
- Optimization of the membrane aerated biofilm reactor for wastewater treatment
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan-Alfredo Jacome Burgos (presid.), Rubén Díez Montero (secret.), Robert Nerenberg (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Ambiental por la Universidad de Cantabria y la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: UCrea
- Resumen
- español
Actualmente, el proceso de fangos activos para el tratamiento de aguas residuales es uno de los más utilizados en todo el mundo. Ha demostrado su eficacia para la eliminación de carbono y nutrientes mediante el tratamiento exitoso de aguas residuales municipales e industriales. Los sistemas de biopelícula también se han utilizado durante los últimos 100 años, y aún se emplean extensamente hoy en día para el tratamiento de aguas residuales. Con el fin de mejorar las tasas de depuración, los procesos de biopelícula frecuentemente combinan la mezcla mecánica y la aireación por burbujas. Sin embargo, los métodos convencionales de aireación por burbujas son muy intensivos en cuanto a consumo energético, ya que las pérdidas de fricción a través de las tuberías, la baja solubilidad del oxígeno en el agua y la sobrepresión requerida para formar las burbujas demandan grandes cantidades de energía. Se estima que la energía necesaria para la aireación de los sistemas de fangos activos representa un 2-3% de la producción mundial de energía eléctrica. A pesar de que ha habido muchas mejoras en los difusores, las eficiencias de transferencia de oxígeno (OTE) en los sistemas de aireación por burbujas todavía se encuentran limitadas a sólo un 30-40%.
Por lo tanto, se deben encontrar tecnologías energéticamente eficientes capaces de adaptarse a normativas cada vez más estrictas y a la creciente escasez de recursos hídricos, tanto para el diseño de nuevas estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs), como para adaptar las instalaciones existentes aprovechando el espacio disponible.
El Reactor de Biopelícula Soportada y Oxigenada por Membranas (RBSOM) se presenta como una alternativa capaz de proporcionar un nuevo modo de aireación mucho más eficaz desde el punto de vista energético. En el RBSOM, la biopelícula activa en contacto con agua a tratar, es soportada y aireada/oxigenada por membranas permeables a gases. El oxígeno se transfiere directamente por difusión desde el interior de la membrana hacia la biopelícula sin formación de burbujas. Esta particularidad proporciona unas características excepcionales de transferencia de oxígeno, siendo posible obtener ahorros energéticos de hasta un 85% en comparación con los procesos convencionales de fangos activos. También es posible obtener sistemas mucho más compactos, ya que la biomasa se concentra en las membranas y recibe el oxígeno directamente desde las mismas.
Las biopelículas de los RBSOM son contra-difusionales, lo cual quiere decir que los sustratos son proporcionados a la biopelícula desde direcciones opuestas. En las biopelículas contra-difusionales de los RBSOM se desarrollan estructuras de comunidades microbianas únicas, que permiten la oxidación de la demanda química de oxígeno (DQO), nitrificación y desnitrificación simultáneas.
Teniendo en cuenta este contexto, esta tesis doctoral pretende contribuir a una mejor compresión de los procesos principales que rigen los sistemas RBSOM y también a la optimización el rendimiento de estos reactores.
Como punto de partida de este trabajo, en el capítulo 1 se presenta una revisión bibliográfica actualizada sobre los procesos de biopelícula y la tecnología RBSOM.
En el capítulo 2 se describen los materiales y métodos utilizados a lo largo de las diferentes etapas de experimentación y simulación.
En el capítulo 3 se propone una nueva configuración RBSOM híbrida (RBSOMH), consistente en un reactor compacto que integra el proceso RBSOM en un reactor convencional de fangos activos. El objetivo principal del RBSOMH fue mantener la biomasa nitrificante en las membranas y lograr la desnitrificación a través de las bacterias en suspensión, con el fin de controlar el crecimiento excesivo de bacterias heterótrofas sobre la biopelícula y el espesor de la misma. Se emplearon simulaciones matemáticas con el fin de establecer las condiciones de diseño y operación óptimas del proceso RBSOMH para el tratamiento de aguas residuales urbanas.
El RBSOMH experimental consistió en un reactor de 15 L en el que se empleó un módulo de membrana plana para la transferencia de oxígeno y como soporte de la biopelícula. Se mantuvo una concentración de sólidos suspendidos en el licor mezcla (SSLM) típica de un proceso de fango activo convencional. El RBSOMH se alimentó con un agua afluente tratando de reproducir un agua residual urbana de media-alta carga, para lo que se emplearon materias concentradas procedentes de una EDAR. La nueva configuración RBSOMH mostró un gran potencial para la eliminación de nitrógeno total (NT) a través de nitrificación y desnitrificación simultáneas. Notablemente, se obtuvo una tasa de nitrificación media de 3 gN/m2d. Este resultado es mejor que los obtenidos en estudios anteriores de RBSOMH. La concentración residual de N-NO3 en el efluente fue esencial para mantener la distribución deseada de biomasas nitrificantes y heterótrofas. Los ensayos de tasa de producción de nitratos (TPN) y tasa de consumo de nitratos (TCN) llevados a cabo demostraron que, como se pretendía, la mayor parte de la biomasa nitrificante se mantuvo en la biopelícula (90%) mientras que la mayoría de las bacterias desnitrificantes permanecieron en suspensión (95%). El modelo matemático desarrollado para el RBSOMH fue capaz de reproducir los resultados experimentales (con respecto a la operación continua del RBSOMH, así como a los ensayos de TPN y TCN realizados en la biomasa en suspensión y en la biopelícula). Los resultados referentes al estudio sistemático de simulaciones predijeron que en el proceso RBSOMH, los procesos de nitrificación y desnitrificación estaban en la mayoría de los casos desacoplados, siendo el área de membrana y las presiones de aire suministradas a la membrana (PAM) los parámetros principales que afectaron a las tasas de nitrificación. Ello permitió el control y optimización de forma separada de los procesos de nitrificación y desnitrificación. El estudio sistemático de simulaciones también posibilitó la definición de algunos parámetros de diseño y operación óptimos del proceso RBSOMH para diferentes tipos de membranas y requerimientos de nitrógeno en el efluente. Diferentes combinaciones de PAM y áreas de membrana permitieron obtener la concentración de amonio en el efluente deseada con el fin de maximizar las tasas de nitrificación. Se determinaron las PAM óptimas a diferentes temperaturas que permitieron cumplir con los límites de NT en el efluente establecidos por la normativa Europea para diferentes escenarios. También se obtuvieron las concentraciones de SSLM más favorables para conseguir la concentración deseada de N-NO3 en el efluente a diferentes temperaturas.
Cuando el RBSOM es operado con el extremo de las membranas cerrado, se obtienen OTEs del 100%, lo que resulta en grandes ahorros energéticos. Sin embargo, los RBSOM con membradas cerradas son más sensibles a la retrodifusión de gases inertes, como el nitrógeno. La retrodifusión de gases reduce la tasa de transferencia de oxígeno (OTR) promedio, disminuyendo consecuentemente los flujos de eliminación de contaminantes. En el capítulo 4, se exploraron estrategias potenciales para mitigar el efecto perjudicial del proceso de retrodifusión en el RBSOM (alimentado con oxígeno puro) con membranas cerradas. Se planteó la hipótesis de que ventilando periódicamente el lumen de las membranas podría incrementar las OTRs y los flujos de depuración. Empleando una celda experimental y simulaciones matemáticas, este estudio demostró que los perfiles de los gases de retrodifusión en membranas de fibra hueca (MFH) sin biopelícula, se desarrollaron en una escala de tiempo relativamente larga. Por ello, con ventilaciones muy cortas del interior de las membranas se pudieron restablecer los perfiles uniformes del gas de entrada durante periodos de tiempo relativamente duraderos. Mediante simulaciones matemáticas, se exploró sistemáticamente el efecto de los intervalos de ventilación (tiempo entre las ventilaciones) en una MFH. Para intervalos de ventilación moderados, de alrededor 30 minutos, la ventilación de los gases aumentó significativamente la OTR promedio, prácticamente sin afectar la OTE. Cuando el intervalo de ventilación fue lo suficientemente corto, en este caso de 20 minutos, la OTR promedio fue incluso mayor a la obtenida en modos de operación continuamente abiertos. La estrategia de ventilaciones periódicas se probó experimentalmente en un RBSOM con fibras cerradas, aumentando en gran medida las OTRs y tasas de depuración (llegando a alcanzar valores similares a los obtenidos en operación con extremo abierto) y alcanzando OTEs superiores al 97% (la OTE obtenida en el modo de operación abierto fue de 0.5%). Los resultados de este estudio mostraron que las ventilaciones periódicas son una estrategia prometedora que permite combinar las ventajas de los modos de operación con extremo abierto y cerrado, maximizando tanto las OTRs como las OTEs.
En el capítulo 5, se llevaron a cabo experimentos y simulaciones matemáticas para estudiar el efecto de biopelículas aerobias heterótrofas en la dinámica de gases de los RBSOM. Se tomó como hipótesis que el comportamiento de la retrodifusión en MFH sin biopelícula podría ser notablemente diferente que en los RBSOM. Los perfiles de retrodifusión en membranas con biopelícula se vieron afectados por dos fenómenos. En primer lugar, el consumo de oxígeno por la biopelícula afectó a los flujos de transferencia de oxígeno, lo que a su vez repercutió en los perfiles de oxígeno desarrollados a lo largo de la membrana. Se observó una mayor acumulación de nitrógeno y por tanto menores concentraciones de oxígeno a lo largo de la membrana cuando mayor era la actividad de la biopelícula. En segundo lugar, la biopelícula actuó como una barrera para la difusión del N2 hacia el interior de la membrana. Este efecto dependió principalmente del espesor de la biopelícula y de la concentración de N2 en el interior de la membrana. Estos efectos fueron notablemente significativos para condiciones transitorias. El tiempo requerido para alcanzar el estado estacionario del proceso de retrodifusión aumentó con los espesores de biopelícula. Estos resultados sugirieron que los efectos de la biopelícula deben ser considerados cuando se implementen estrategias de ventilación con el objetivo de minimizar los efectos negativos de la retrodifusión de gases. También se encontró que en los RBSOM con extremos cerrados y suministrados con aire, no sólo la retrodifusión de N2 podría diluir la concentración de oxígeno dentro de la membrana, sino que también la acumulación del N2 presente en el aire suministrado, podría resultar en un perfil decreciente de concentración de oxígeno a lo largo de la membrana. Se simularon estrategias de ventilación para RBSOM suministrados con oxígeno puro y con aire. Los resultados alcanzados mostraron que al aplicar las estrategias de ventilación adecuadas a cada caso, se pudieron obtener presiones parciales medias de O2 y OTRs dentro de la membrana iguales o mayores que en los RBSOM con extremo abierto, beneficiándose de altas OTEs obtenidas durante la mayor parte del ciclo, correspondiente a la fase cerrada (se lograron valores de OTE entre el 75-99%, cuando los valores de OTE para sistemas abiertos fue de 0.5-1.7%). De este modo se demostró que las estrategias de ventilación tienen el potencial de aumentar la capacidad de los RBSOM y disminuir los costes de inversión y de operación de los nuevos sistemas.
En conclusión, a partir del trabajo realizado en esta tesis se obtuvo información importante para el diseño y operación de los RBSOM. Estos reactores han demostrado ser una tecnología altamente eficaz para la eliminación de carbono y nitrógeno en aguas residuales urbanas.
- English
Membrane aerated biofilm reactor (MABR) is presented as an alternative approach that may provide new more energy-effective wastewater treatment option. In the MABR oxygen is transferred into the biofilm straight by diffusion and without bubble formation. These features, give exceptional oxygen transfer characteristics, being possible to obtain energy savings up to 85% compared to conventional activated sludge processes. In this Thesis experiments were combined with modeling in order to provide a complementary knowledge to the MABR process. Strategies to overcome biofilm thickness limitation, and to minimize the detrimental effect of gas back-diffusion, were addressed. Findings obtained, evidenced that 1) MABRs combined with activated sludge (hybrid MABR) have potential applications for compact energy-efficient wastewater nutrient removal, and 2) periodic venting applied to the lumen of MABRs is a promising strategy which allows to maximize both oxygen transfer rates (OTRs) and oxygen transfer efficiencies (OTEs).
- español
