Biorreactores de membrana sostenibles y competitivos para tratamiento de aguas residuales urbanas
- Autores: Patricia Ugarte Elhombre
- Directores de la Tesis: Miguel Alejandro Menéndez Sastre (dir. tes.), Jose Angel Peña Llorente (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Herguido Huerta (presid.), Elena Zuriaga Agustí (secret.), Sergio Mestre Beltrán (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química y del Medio Ambiente por la Universidad de Zaragoza
- Materias:
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- Resumen
El agua es un recurso imprescindible en nuestra vida diaria y en cada uno de los ecosistemas que forman el entorno. Por ello se debe preservar haciendo un uso sostenible y evitando su contaminación, ya que la calidad de esta también es un parámetro importante. El problema muchas veces radica en la distribución heterogénea de su población. Esto genera muchos focos de vertidos de aguas residuales urbanas y con mucha variación en el tiempo. El coste de instalación y mantenimiento de una depuradora convencional es elevado, ya que requiere de grandes unidades de proceso (decantadores y reactores).
Una de las soluciones posibles sería el uso de biorreactores de membrana (MBR) para tratamiento de aguas. Los reactores biológicos de membrana combinan el proceso biológico de fangos activos con el tratamiento por filtración, mediante membranas para separar los sólidos del fango activo del agua. El realizar la depuración y separación en la misma unidad de proceso hace que sean plantas de menor tamaño y además permite trabajar de forma flexible con diferentes volúmenes y cargas de trabajo. Sin embargo, los MBR tienen asociada una desventaja asociada al ensuciamiento de las membranas, lo cual se traduce en elevados costes de operación y mantenimiento.
Para intentar mitigar el ensuciamiento de las membranas, en esta tesis se han ensayado distintos ciclos de operación teniendo en cuenta las estrategias de limpieza física (ciclos de relajación y contralavado). También se ha estudiado el efecto de algunas variables de operación, como son el caudal de aireación, la separación de las membranas, el flujo de permeado, la carga másica y la concentración de sólidos suspendidos en el licor mezcla sobre el ensuciamiento de la membrana. Con estos primeros resultados se determinaron las condiciones óptimas de operación, que eran aquellas que mostraban un menor ensuciamiento en la membrana, permitiendo una operación más estable y durante más tiempo.
Una vez determinadas las condiciones de operación, se ensayaron distintas membranas cerámicas. Estas membranas presentan numerosas ventajas, tales como su mayor resistencia a altas temperaturas y pH extremos, son químicamente inertes y no reaccionan con la biomasa, presentan una mayor vida útil, una mayor resistencia mecánica, etc. El problema de las membranas cerámicas es su elevado coste; por ello, en este caso se han utilizado membranas cerámicas de bajo coste, utilizando residuos para su fabricación. Se han probado membranas con y sin capa selectiva, todas ellas tienen arcilla como componente mayoritario. En primer lugar, se han caracterizado todas las membranas, utilizando la técnica del punto de burbuja para conocer el tamaño medio de poro de estas y también se ha obtenido la permeación al agua. En función de los resultados mostrados en dicha caracterización, las membranas, se ensayaron en el MBR. Se determinó el efecto de las distintas variables de fabricación de las membranas, sobre la permeación y el ensuciamiento de estas a la hora de operar en el MBR. Una vez se probaron todas ellas, se eligió aquella que presentaba un menor ensuciamiento y una mayor calidad del efluente.
La última estrategia empleada para disminuir el ensuciamiento ha sido mejorar las propiedades anti-ensuciamiento de las membranas cerámicas. Primero se ha realizado un tratamiento químico suave con NaOH que introduciría grupos silanol en la superficie, produciendo un incremento de la hidrofilidad. El otro tratamiento ha consistido en depositar, en la superficie de la membrana, un agente bactericida como las nanopartículas de plata. La finalidad es evitar la formación de una película de microorganismos sobre la superficie de ésta, utilizando el efecto bactericida.
La tecnología de los MBR se considera una de las más avanzadas para el tratamiento de aguas residuales. Existen estudios recientes que demuestran la eliminación de sustancias prioritarias, contaminantes emergentes y contaminación microbiológica. En este trabajo se ha evaluado la capacidad de retención de Escherichia coli, ooquistes de Cryptosporidium y quistes de Giardia. Los protozoos mencionados son los más frecuentemente implicados en la etiología de enfermedades parasitarias de transmisión hídrica en países desarrollados, y por tanto, se pueden considerar también (aparte de la E.coli, regulada en la legislación de reutilización de aguas) microorganismos representativos de la contaminación por parásitos en el agua, procedentes de aguas urbanas o de explotaciones ganaderas.
Se ha realizado un modelo cinético, para evaluar la velocidad de consumo de sustrato utilizando una cinética de Monod, y se ha calculado el coeficiente de transferencia de oxígeno en el biorreactor.
