EMSSA: EDAR de Gavà i Vallvidrera -> Reutilització i noves tecnologies: MBR

EMSSA, disposa de dues plantes depuradores amb la tecnologia MBR (Membrane Biological Reactor) à Reactor Biològic de Membranes: La depuradora de Gavà i Viladecans (66.000m3/d) i la de Vallvidrera (1.100m3/d)

Les primeres plantes MBR van aparèixer a Amèrica del Nord a finals de la dècada dels 70, a principis de la dècada dels 80 van emergir a Japó i a Sud-àfrica, i la introducció a Europa de MBRs aeròbics no es va produir fins a mitjans dels 90.

La tecnologia MBR és apta per al tractament tant d'aigües residuals urbanes com per al tractament d'efluents industrials. Donada l'elevada qualitat de l'efluent i lo molt compactes que són les plantes, està sobretot ben adaptada per:

  • Aplicació en àrees d'elevada sensibilitat ambiental
  • Tractaments de complexos efluents industrials que requereixen un sistema que permeti operar a edats del fang elevades.
  • Aplicacions específiques on el procés convencional de fangs activats no pot produir un efluent de qualitat adient a costos raonables.
  • Aplicació en àrees on existeixen limitacions de espai.
  • Ampliacions de plantes convencionals.

El major avantatge potencial d'aquesta tecnologia però està en el camp de la reutilització.

Però que és un MBR? Es pot descriure un MBR com un sistema de fangs actius (reactor) en el qual s’ha reemplaçat l’etapa de decantació secundaria per una etapa de filtració mitjançant membranes de micro o ultrafiltració.

Procés convencional de fangs actius:

Reactor biològic de membrana: MBR

Hi ha bàsicament sis configuracions principals en els processos de membrana, amb les seves corresponents avantatges i desavantatges. Les membranes utilitzades en aquest tipus d'aplicacions se situen entre els rangs de micro i ultrafiltració, amb una grandària mitjana de porus entre 0’03 i 0’5µm segons el fabricant. Les configuracions són tant de geometria plana com a cilíndrica distingint-se:

Làmina plana (FS: flat sheet) - Fibra buida (HF: hollow fibber) - Multitubular (MT) - Tub capil·lar (CT) – Pleated filter cartridge (Filtre de plecs) – Spiralwound (Espiral)

L'elecció de cada configuració depèn del tipus d'efluents que s’han de tractar i de les característiques del licor mescla, tenint en compte paràmetres com la viscositat, temperatura, oxigen dissolt, tendència a formar escumes, característiques dels flòculs, la càrrega superficial, etc. Els tipus de membranes més emprades en els MBR són de fibra buida i làmina plana, i en tercer lloc el multitubulars.

El principi de la tecnologia d’aquestes membranes, es basa en la filtració, és a dir, les partícules que porta l’aigua són filtrades (procés de separació) a través de les membranes segons la seva grandària. El grau de selectivitat de les membranes al pas dels elements físics o químics, ve determinat per la seva mida de porus.

 
 
Procés Convencional de fangs actius de fangs actius
Concentració de sòlids (MLSS): 3.000-5.000ppm (dins del reactor)
 
 
MBR
Concentració de sòlids (MLSS): 10.000-15.000ppm (dins del reactor)

En el cas de Gavà i Viladecans, i el de Vallvidrera, el procés és d’ultrafiltració. Són membranes de fibra buida, de la marca comercial Zenon, model ZeeWeed 500d, i amb una mida de porus de 0’04μm

El rang de filtració segons el fabricant de membranes Zenon és:

 

Essencialment, el sistema d’ultrafiltració substitueix la funció de separació de sòlids del clarificador secundari i dels filtres de sorra dels sistemes convencionals de fang activat.

Les membranes estan submergides dins un tanc amb contacte directe amb el licor mescla. Mitjançant una bomba de permeat, s’aplica un buit al col·lector connectat amb les membranes, i el buit dirigeix l’aigua tractada a través de la fibra buida de les membranes d’ultrafiltració. El permeat es dirigeix llavors al dipòsit d’aigua tractada i desprès al tanc de cloració. Intermitentment s’introdueix aire en la part inferior del mòdul de membranes, produint una turbulència que neteja la superfície externa de les fibres. Aquesta acció de neteja separa els sòlids de la superfície de la membrana.

Tot això es produeix en diferents cicles, que es veuran més endavant.
El principi de funcionament és el següent:

Hi ha uns paràmetres claus per la comprensió del funcionament i control de les membranes:

  • Flux. Quantitat de material que passa a traves d’una unitat de superfície de membrana per unitat de temps. Les unitats són en sistema internacional m3·m-2 ·s-1, o bé, ·m·s-1, es sol expressa en lmh En funció del tipus de membranes, oscil·la entre 15 i 25 l/m/h. El flux i el cabal d'entrada determinen la superfície de membrana necessària, independentment de la càrrega contaminant de l'aigua residual.
  • Pressió Transmembrana (Transmembrane Pressure: TMP). S’usa per expressar l’energia necessària per la filtració, unitats en bar o en kg/cm2. Es calcula mitjançant la diferencia entre la pressió estàtica sense filtració i la pressió dinàmica durant la filtració (descomptant les pèrdues de càrrega a les canonades). Els intervals d'operació habituals d'aquest paràmetre, considerats en el disseny, vénen definits pel fabricant de la membrana. Durant l'operació no se solen superar mai els 0’5 kg/cm2. S’utilitza també pel control de l’embrutiment, és a dir, quan la TMP augmenta vol dir que la membrana s’està embrutant i necessita d’una neteja química.
  • Embrutiment de la membrana o fouling és el principal obstacle en l’operació del MBR. Es produeix per la deposició progressiva de substàncies en suspensió o dissoltes, orgàniques i minerals presents en el fang actiu, en la superfície externa de la membrana, així com en els seus porus. El fouling és un procés que genera una capa mixta (dipòsits biològics i químics) que provoca que la membrana comenci a perdre la permeabilitat hidràulica.
  • Hi ha tres tipus de fouling:
    1. Reversible: es forma una pasta a la superfície de la membrana, a partir de l’acumulació de partícules més grans que els seus propis porus. S’elimina amb les neteges físiques (aeració, contrarentat, relaxació)
    2. Irreversible: adsorció en els porus de la paret de la membrana de les partícules de mida similar a la del porus, produint el seu bloqueig. S’elimina amb les neteges químiques (hipoclorit o àcid cítric)
    3. Irrecuperable: aquest embrutiment no pot ser eliminat per cap mètode
  • Clogging. És el procés d’acumulació de sòlids o materials fibrosos en els canals de la membrana. Es el resultat de dos possibles factors, insuficiència de pretractament deixant passar fibres, o baix rendiment hidrodinàmic que pot ser degut a un embrutiment dels conductes d’aeració que dificulta el rentat mitjançant factors físics de la membrana.

Descripció de l’operació de les membranes:

Les membranes operen amb un cicle repetit de filtració. Els cicles són: Filtració – Relaxació – Contrarentat

La filtració doncs, consisteix en conduir l’aigua des del licor mescla a través de las fibres de membranes, amb la bomba de permeat, filtrant així aigua des de fora cap a dins, obtenint aigua neta.

La filtració ve seguida per un curt període de contrarentat, on s’inverteix el flux a través de les membranes, passant aigua neta (tractada) a traves de les mateixes, per ajudar a deixar anar les partícules que puguin haver quedat adherides a la membrana. El període pot ser per exemple, durant 30 – 60 segons cada 10 – 15 minuts.

El mode de relaxació té lloc quan no hi ha filtració, mentre la resta de les funciones (aeració, recirculació) continuen. Aquest període de relaxació permet a la membrana airejar-se i netejar la seva superfície.

Periòdicament serà necessari netejar les membranes químicament, per recuperar permeabilitat (quan disminueix la TMP es perd permeabilitat, la membrana està bruta), i desadherir substancies que no s’han extret mitjançant la neteja física (procés d’aeració, contrarentat i relaxació, que com s’ha vist, forma part dels seus cicles d’operació).

Cicle d’operació:

 

Tipus de neteges:

  • Neteja química de manteniment: Aquesta és realitza regularment. I a més a més, quan la pressió transmembrana (TMP) assoleix un determinat valor crític o bé el flux disminueix per sota d’un cert límit, es sotmet a les membranes a un procés de neteja de manteniment amb productes químics (normalment hipoclorit), en el qual es recupera part de la permeabilitat perduda en el procés de filtració. La freqüència d'aquestes neteges dependrà del tipus de membranes i lògicament de les condicions d'operació concretes de la instal·lació. Generalment es duen a terme in situ, i el cicle requereix de 30 a 60 minuts. Es realitzen habitualment amb hipoclorit (NaClO), que s'utilitza a una concentració moderada de 200-500mg/l i, amb menor freqüència, amb àcid cítric a una concentració d'1.000-2.000 mg/l. És habitual que les neteges de manteniment es realitzin una o dues vegades per setmana. L’objectiu també és incrementar el interval entre les neteges de recuperació. Hi ha una part de la permeabilitat perduda que no es recupera a través d'aquestes neteges.

  • Neteja química de recuperació: Quan la permeabilitat ha aconseguit valors per sota del rang d'operació habitual és necessari dur a terme una neteja més profunda, la neteja de recuperació. Aquesta es pot dur a terme una o dues vegades a l'any, per exemple, però la freqüència necessària vindrà també determinada per les característiques de les membranes i les condicions d'operació. És necessari posar en remull les membranes amb una solució de productes químics. Se sol emprar una combinació d’hipoclorit per eliminar la matèria orgànica dipositada, i àcid cítric o oxàlic per eliminar les substàncies inorgàniques.

Esquemes de procés:

Tal com s’ha vist anteriorment, el MBR és la substitució del decantador secundari d’un tractament de fangs activats mitjançant una filtració, pel que els esquemes de procés seran els mateixos que amb un sistema de fangs convencional (nitrificació - desnitrificació, nitrificació amb addició de reactius per la precipitació del fòsfor, etc.).

Tant a Gavà com a Vallvidrera, s’eliminen nutrients.

Esquema nitrificació – desnitrificació + addició reactius químics per eliminació fòsfor:

Captura de la pantalla del scada de les membranes de Vallvidrera:

AVANTATGES principals d’aquesta tecnologia:

  • Millor qualitat de l'efluent final, que permet fins i tot la seva reutilització en la majoria dels usos establerts en el R.D.1620/2007 de reutilització.
  • Menors requeriments de superfície (es pot reduir fins a 1/3) à reduït espai d’instal·lació, això es degut a treballar amb concentracions del licor mescla més altes.
  • Menor producció de fangs, ja que per un mateix volum de reactor el MBR treballa amb menor càrrega màssica, amb lo que la producció de fangs és menor.
  • Consum energètic i costos d'explotació competitius enfront de sistemes de fangs actius amb tractament de regeneració avançada que inclogui ultrafiltració.
  • Efluent final reutilitzable. Per exemple, en cas que fos necessari un tractament de dessalació per reutilització, l'efluent d'un MBR podria alimentar una instal·lació d'osmosi inversa, sense pretractament previ.

DESAVANTATGES principals:

  • La major complexitat de la seva operació, explotació i manteniment, respecte a un tractament convencional de fangs actius, a més a més del increment de costos d’explotació i manteniment.
  • El consum energètic pot arribar a ser de l'ordre de dues vegades el d'un tractament biològic convencional, en funció de les càrregues d'entrada i el tractament de fangs.
  • La necessitat d'un pretractament més estricte a causa de la sensibilitat de les membranes a l’embrutiment, danys i fins i tot trencaments pel pas de partícules.
  • Degut al poc temps que porta en marxa aquesta tecnologia, es fa difícil preveure el seu comportament a mig i llarg termini, així com els seus costos de reposició.

Imatge de l’aigua d’entrada (dreta) i l’aigua de sortida a la riera (esquerra)