Tratamiento de aguas residuales mediante UASB + eMBR para eliminación de productos farmacéuticos en aguas residuales urbanas
- Autores: Karen Viviana Mora Cabrera
- Directores de la Tesis: Daniel Prats Rico (dir. tes.), Arturo Trapote Jaume (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat d'Alacant / Universidad de Alicante ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Héctor García Hernández (presid.), María-José Moya Llamas (secret.), Diana Margarita Miguez Caramés (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Agua y Desarrollo Sostenible por la Universidad de Alicante
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUA
- Resumen
- español
El incremento de la población ha traído consigo un aumento acelerado del consumo de agua para suministro urbano e industrial, lo que produce un aumento de las aguas residuales. El crecimiento económico y las necesidades humanas, promueven el uso de diversas sustancias para la creación de productos necesarios para el ser humano, esto genera una mayor diversidad de contaminantes dentro de esta agua. Añadido a esto, la integración de nuevos y más sensibles métodos de análisis de composición del agua residual, permiten llegar a límites de detección de compuestos químicos en concentraciones traza (μg/L o ng/L). Compuestos que antiguamente no podían ser detectados y ahora llamados contaminantes emergentes (CEs) o microcontaminantes emergentes (MCEs) debido a sus bajas concentraciones. Estos compuestos generan un reto en la actualidad para la depuración de las aguas. Pues debido a la falta de información de los mismos, falta de regulación en algunos países y el posible impacto ecológico y toxicológico que puede generar, son de gran interés en la comunidad científica.
A nivel mundial en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), la técnica más utilizada es el tratamiento biológico con lodos activos convencionales (CAS). Técnica que tiene altas eliminaciones de materia orgánica y según su configuración puede llegar a eliminar nutrientes. Pero en diferentes estudios se demuestra que, para algunos CEs, no presenta altas eliminaciones, lo cual genera puntos de vertido continuo de estos compuestos.
Con el creciente interés en la mejora de la calidad de efluentes tratados, ya sea para vertido controlado sin deterioro ambiental o para su posible reutilización, los sistemas convencionales no generan los efluentes de alta calidad que a día de hoy se pretenden producir para los diferentes posibles usos. Es por esto que las normativas ambientales cada vez más estrictas y la comunidad científica interesada en mejorar las tecnologías de tratamiento de aguas residuales, promueven el estudio de diferentes tecnologías que permitan eliminar dichos compuestos y crear efluentes de alta calidad para su posible reutilización. Muchas tecnologías no presentan altas eliminaciones de CEs y las que obtienen buenos resultados son costosas de implementar en el tratamiento de agua residual urbana. Los sistemas que combinan procesos biológicos aerobios y anaerobios son de alto interés, puesto que son ambientalmente sostenibles, en especial gracias a su baja producción de fangos y bajos costes de operación y mantenimiento, y a que permiten una recuperación energética gracias al biogás producido en los procesos anaerobios.
Una combinación interesante es la formada por un sistema anaeróbico (UASB) y un biorreactor de membranas (MBR). El tratamiento anaerobio se caracteriza por tener altas eliminaciones de materia orgánica y al tener una baja producción de lodos y producir biogás, que puede ser utilizado para diversos usos, lo que genera un interés económico en su implementación para el tratamiento de aguas. El sistema MBR es una combinación de dos procesos básicos, la degradación biológica y la filtración de los sólidos en suspensión y microorganismos responsables de biodegradación mediante una unidad de filtración por membrana.
Este sistema ha mejorado la producción de efluentes de alta calidad, disminuyendo el coste y la necesidad de terreno frente a tratamientos convencionales seguidos de un tratamiento terciario. Por esta razón la utilización de esta tecnología está en auge creciente; no obstante, a pesar de los beneficios de la nueva tecnología, se observa que hay una condición de operación que limita este tipo de tratamiento. Se trata del ensuciamiento de la membrana, que representa un obstáculo importante para la amplia instalación y mantenimiento de los MBR.
El ensuciamiento consiste en la deposición de material coloidal en suspensión en la membrana, la cual crea una capa de torta sobre la superficie de la misma, reduciendo su capacidad de filtración y obligando a realizar paradas técnicas de limpieza y mantenimiento. Cuando se implementa la electrocoagulación dentro del sistema MBR, configurando un Electro-Biorreactor de Membrana Sumergida (eMBR), se puede observar una reducción en el ensuciamiento de la membrana, ya que se producen cambios en las propiedades del licor mezcla, como el aumento del tamaño del flóculo y la reducción de sustancias poliméricas extracelulares SPE y productos microbianos solubles EPS. Asimismo, se ha visto en otras investigaciones como la electrocoagulación puede ser una tecnología que ayude a la eliminación de CEs, que con las configuraciones habituales no han sido eliminados.
Esta investigación estudia la puesta en marcha y la operación de un sistema híbrido UASB + eMBR, con dos tipos de agua a tratar, agua residual sintética y agua residual de una depuradora real. La investigación con la alimentación de agua sintética se realizó en laboratorio y se consideraron dos fases. La primera de ellas sin contaminantes emergentes en el afluente, para estudiar la eliminación de materia orgánica y nutrientes y el efecto de la electrocoagulación en el ensuciamiento de la membrana, aplicando diferentes densidades de corriente de 5 , 10 y 15 A/m2. En la segunda fase se introdujeron una serie de CEs seleccionados en el afluente sintético, para evaluar su reducción en el UASB y en el eMBR para las diferentes densidades de corriente aplicadas.
La experimentación con agua residual real se realizó en la EDAR Monte Orgegia, donde se alimentó la planta piloto combinada con el efluente del tratamiento primario. Se utilizaron parámetros de operación similares a la experimentación con agua sintética. Se estudió la eliminación de contaminantes emergentes, materia orgánica, nutrientes y reducción del ensuciamiento de la membrana. Se aplicaron densidades de corriente más bajas que en la experimentación de laboratorio, de 2, 5 y 10 A/m2.
Los parámetros de operación del sistema fueron: TRH del UASB 15 h, TRH del MBR 9 h, flujo de permeado en el MBR LMH 3±2, operación en el MBR con tiempos de permeado de 10 min y 1 min de retro-lavado, tiempos de operación de la electrocoagulación de 5 min ON/10 min OFF.
El análisis de reducción del ensuciamiento de la membrana se realiza tras la medición automática de la presión transmembrana (PTM) durante los días de operación en cada fase. Se completó el estudio con los cambios morfológicos del lodo y la concentración de EPS y SMP, junto con análisis respirométrico y observación de bioindicadores en licor mezcla.
Se estudió la eficiencia en la remoción de demanda química de oxígeno (DQO), nitrógeno total (NT), fósforo total (PT) y en la eliminación de cuatro contaminantes emergentes seleccionados de la familia de los fármacos, que se han encontrado recalcitrantes en otras investigaciones y que son de preocupación por sus posibles efectos toxicológicos: Ibuprofeno, 17α-etinilestradiol, Carbamazepina y Diclofenaco.
Se evidenció que la combinación de UASB y eMBR para mejorar la calidad del efluente, es positiva. Los resultados demostraron altas eliminaciones de materia orgánica y con la implementación del sistema eMBR se incrementó la eliminación de fósforo, y de los contaminantes diclofenaco , carbamazepina y 17α-etinilestradiol. Este comportamiento se observó tanto con agua sintética como con el agua residual real.
El sistema eMBR presentó un impacto positivo en relación a la eficiencia en la reducción del ensuciamiento de la membrana, debido a que la implementación de la electrocoagulación genero un cambio en las propiedades del lodo y consecuentemente en el ensuciamiento de la membrana. Las fracciones de proteínas y carbohidratos de las EPS solubles presentaron reducciones significativas respecto al MBR sin electrocoagulación. Se logró disminuir la PTM hasta un 80%, con una DC de 5 A/m2
- English
Population growth has brought with it an accelerated increase in water consumption for urban and industrial supply, resulting in an increase in wastewater. Economic growth and human needs promote the use of various substances for the creation of products needed by humans. This, in turn, generates a greater diversity of pollutants within this water. In addition to this, the integration of new and more sensitive methods of wastewater composition analysis allows to reach detection limits of chemical compounds in trace concentrations (μg/L or ng/L) to be reached.
Compounds that formerly could not be detected and are now called emerging contaminants (ECs) or emerging micropollutants (ECMs) due to their low concentrations. These compounds are currently a challenge for water treatment. Due to the lack of information about them, the lack of regulation in some countries and the possible ecological and toxicological impact that they can generate, they are of great interest to the scientific community.
The most widely used technique in wastewater treatment plants (WWTP) worldwide is biological treatment with conventional activated sludge processes (CAS). This technique has high organic matter removal rates and, depending on its configuration, it can even remove nutrients. However, different studies have shown that, for some ECs, it does not present high elimination rates, which generates continuous discharge points of these compounds.
With the growing interest in improving the quality of treated effluents, whether for controlled discharge without environmental deterioration or for its potential reuse, conventional systems do not generate the high-quality effluents that are intended to be produced today for the different possible uses. This is why increasingly strict environmental regulations and the scientific community interested in improving wastewater treatment technologies are promoting the study of different technologies that allow to eliminate these compounds and create high quality effluents for its potential reuse. Many technologies do not have high removal rates of ECs and those that perform well are expensive to implement in urban wastewater treatment. Systems that combine aerobic and anaerobic biological processes are of high interest as they are environmentally sustainable, especially due to their low sludge production and low operation and maintenance costs, and they allow energy recovery from the biogas produced in the anaerobic processes.
An interesting combination is that of an anaerobic system (UASB) and a membrane biological reactor (MBR). Anaerobic treatment is characterised by high organic matter removals, low sludge production and the production of biogas, which can be used for various purposes, making this technique economically interesting to implement for water treatment. The MBR system is a combination of two basic processes: biological degradation and filtration of suspended solids and microorganisms responsible for biodegradation by means of a membrane filtration unit.
This system has improved the production of high-quality effluents, by decreasing the cost and the need for land when compared to conventional treatments followed by tertiary treatment. For this reason, the use of this technology is on the rise; however, despite the benefits of the new technology, it is noted that there is an operating condition that limits this type of treatment. This is membrane fouling, which represents a major obstacle to the wide installation and maintenance of MBRs.
Fouling consists of the deposition of colloidal material in suspension on the membrane, which creates a cake layer on the membrane surface, reducing its filtration capacity and forcing technical stops for cleaning and maintenance. When electrocoagulation is implemented within the MBR system, configuring an electro- Membrane Biological Reactor (eMBR), a reduction in membrane fouling can be observed, as changes in the properties of the mixed liquor are produced, such as an increase in floc size and the reduction of extracellular polymeric substances EPS and soluble microbial products EPS. In addition, other research has shown that electrocoagulation can be a technology that helps in the elimination of ECs which have not been eliminated with the usual configurations.
This research studies the commissioning and operation of a hybrid UASB + eMBR system, with two types of water to be treated, synthetic wastewater and wastewater from a real wastewater treatment plant. The investigation with the synthetic water supply was carried out in the laboratory and two phases were considered. The first one without emerging pollutants in the influent, to study the removal of organic matter and nutrients and the effect of electrocoagulation on membrane fouling, applying different current densities of 5, 10 and 15 A/m2. In the second phase, a series of selected ECs were introduced into the synthetic influent to evaluate their reduction in the UASB and in the eMBR for the different current densities applied.
The experimentation with real wastewater was carried out at the Monte Orgegia WWTP, where the pilot plant was fed with the effluent from the primary treatment.
Similar operating parameters were used as in the synthetic water experiment. The removal of emerging pollutants, organic matter, and nutrients, and the reduction of membrane fouling were studied. Lower current densities than in the laboratory experimentation were applied, 2, 5 and 10 A/m2.
The operating parameters of the system were: UASB’s HRT 15 h, MBR’s HRT 9 h, permeate flow in the MBR’s LMH 3±2, MBR operation with 10 min permeate times and 1 min backwash, electrocoagulation operation times of 5 min ON/10 min OFF.
The analysis of membrane fouling reduction is performed after automatic measurement of the transmembrane pressure (TMP) during the days of operation in each phase. The study was completed with the morphological changes of the sludge and the concentration of EPS and SMP, together with respirometric analysis and observation of bioindicators in mixed liquor.
The efficiency on the removal of chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and the removal of four selected emerging pollutants from the drug family, which have been found to be recalcitrant in other investigations and are of concern due to their potential toxicological effects, were studied: Ibuprofen, 17α- Ethinylestradiol, Carbamazepine, and Diclofenac.
The combination of UASB and eMBR to improve effluent quality was shown to be positive. The results showed high removals of organic matter and, with the implementation of the eMBR system, the removal of phosphorus and the pollutants diclofenac, carbamazepine and 17α-Ethinylestradiol increased. This behaviour was observed with both synthetic water and real wastewater.
The eMBR system presented a positive impact in relation to the efficiency in the reduction of membrane fouling because the implementation of electrocoagulation generated a change in the sludge properties and consequently in the membrane fouling. The protein and carbohydrate fractions of the soluble EPS showed significant reductions compared to the MBR without electrocoagulation. The TMP was reduced by up to 80%, with a DC of 5 A/m2.
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