El estudio fue presentado en el VIII Congreso AEDyR

Tecnología de membranas en el tratamiento de agua residual urbana para reutilización

De la Torre, T.; *Rodríguez, C.; Auset, M. (Acciona Agua) Alonso, E.; Santos, J.L.; Aparicio, I.; y Malfeito, J.J. (Universidad de Sevilla)12/07/2011

12 de julio de 2011

Si tenemos en cuenta el importante papel que juega la reutilización de aguas residuales en el ciclo del agua, la búsqueda de tecnologías que nos permitan obtener agua de calidad para su reutilización toma cada vez más relevancia. En este sentido, los reactores biológicos de membrana (MBR) suponen una alternativa a los sistemas tradicionales de fangos activos, en los que la separación biomasa/agua tratada se efectúa por filtración mediante membranas en lugar de por decantación. En el presente trabajo se estudió el comportamiento y rendimiento de los sistemas de membrana en la obtención de agua residual regenerada para su posterior reutilización. Para ello se utilizó una planta piloto MBR con una línea de fibra hueca y una de membrana plana, dispuestas en paralelo. Se realizó una caracterización del agua de entrada y permeada en cuanto a parámetros habituales en el control de depuración (demanda química de oxígeno, nitrógeno, fósforo, patógenos, etc.) y a microcontaminantes específicos (principios farmacológicos, etc.). El objetivo del proyecto fue estudiar la eliminación de distintos tipos de contaminantes (nutrientes, materia orgánica, patógenos, microcontaminantes orgánicos, metales, etc.) en las dos líneas, comparándose los rendimientos de eliminación del MBR con los obtenidos en la estación depuradora con tratamiento convencional de fangos activos y decantación secundaria.

Actualmente, las situaciones en las que un MBR llega a ser competititivo con una planta convencional de fangos activados en Europa son aquellas en las que se considera la reutilización del efluente, así como para casos en los que el terreno a ocupar juega un papel importante y/o el cauce a verter sea zona sensible con parámetros estrictos de vertido. En los últimos años, la implantación de la tecnología MBR en España se ha incrementado enormemente (Huisjes et al., 2009). A pesar de que actualmente no existe una legislación referente a la concentración de la mayor parte de los microcontaminantes presentes en el agua residual, es cuestión de debate en los últimos años el impacto sobre la reutilización indirecta para agua potable de los efluentes secundarios (por ejemplo, para recarga de acuíferos) de contaminantes emergentes que hace unos años pasaban desapercibidos.

Además de su posible impacto sobre a la reutilización del agua, es de conocimiento general que su descarga incontrolada es perjudicial para la vida acuática (Santos et al., 2005). Si bien en pasados estudios se habló de un mayor rendimiento de eliminación de estos compuestos mediante tecnología MBR, el tiempo de residencia (SRT) del MBR en estos estudios siempre fue bastante superior a los utilizados en las tecnologías convencionales, de manera que se puede suponer que el aumento en la eliminación se debió a un aumento en el tiempo de residencia celular, con una consecuente mayor eliminación de la materia difícilmente biodegradable (Bouju et al., 2009). Como señalan Bouju et al., cuando se comparó la degradación de microcontaminantes en MBR y proceso convencional trabajando en condiciones similares, el tratamiento con MBR no mejoró la eliminación de aquellos compuestos que el tratamiento convencional ya eliminaba en un alto porcentaje, ni tampoco los compuestos recalcitrantes cuya eliminación por el tratamiento convencional era escasa. Sin embargo, parece existir una ligera mejoría en la eliminación de aquellos compuestos de eliminación media por parte del MBR.

La cantidad y tipo de contaminantes es altamente dependiente de la región, de manera que un estudio en España a escala semi-real como el presente es necesario para estudiar la posibilidad de implantación de esta tecnología con objetivos de reutilización. A continuación se comparan los resultados en cuanto a eliminación de microcontaminantes de una planta MBR con membrana plana con una con fibra hueca y con un tratamiento de fangos activos convencional. También se contemplarán las diferencias generales entre ambos procesos y se analizará la posibilidad de reutilización del efluente según la normativa vigente.

Métodos: Planta de tratamiento de aguas residuales de Almuñécar (EDAR)

La Estación depuradora de aguas residuales (Edar) de Almuñécar trata 5.000 m³/día de agua residual típicamente urbana sin decantación primaria. Tras el desarenado y desengrasado, parte del agua residual se introduce en la planta piloto, y el resto pasa al tratamiento biológico de la Edar, con un tiempo de retención celular de aproximadamente 10 d y una concentración de sólidos en torno a 3 g/l.

Los parámetros medios de la planta a lo largo de la experimentación se resumen en la Tabla 1. El proceso biológico trabaja con dos líneas en paralelo, cada una de ellas con un tipo de membrana diferente (placa plana y fibra hueca), tratando cada una 2,3 m³/h de agua residual urbana sin decantar y previamente tamizada (a 0,40 mm). Como se puede observar en la Fig.1, las líneas constan de un reactor anóxico (10 m³), seguido de dos zonas aerobias (15 m³). Los módulos instalados son de Koch Membranes (Alemania) en el caso de la fibra hueca (FH) de 250 m²y un tamaño de poro de 0,05 μm y la membrana plana (MP) es de Kubota (Japón), con una superficie de 160 m² y 0,4 μm. En la línea de fibra hueca se realizaron lavados de mantenimiento cada tres semanas contralavando con hipoclorito sódico a pH 11 durante dos horas a bajo flujo.

Figura 1: Esquema de la planta piloto.

Tabla 1: Parámetros medios de operación del MBR.

Métodos analíticos

Diariamente se monitorearon en la planta MBR el oxígeno disuelto, la temperatura y el pH (sonda portátil Thermo Scientific, USA) en los fangos y agua bruta y permeados. También se midió la demanda química de oxígeno (DQO), nitratos (NO₃), nitritos (NO₂), amonio, fósforo total y fosfatos del agua bruta y los permeados (kits Hach-Lange, Alemania). Asímismo se determinaron los sólidos en suspensión totales y volátiles de los fangos en cada reactor y en los permeados y agua de entrada a la planta (Standard Methods, USA).

Para el análisis de microcontaminantes se utilizó extracción en fase sólida y posterior detección y cuantificación mediante cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC) con detección simultánea ultravioleta (UV) y de fluorescencia (FL). Se analizaron los compuestos di-(2- etilhexil)ftalato (DEHP), nonilfenol (NP), nonilfenoles mono y dietoxilados (NP1EO y NP2EO) y sulfonatos de alquilbenceno lineales (LAS) simultáneamente y por otro lado los principios activos farmacológicos (PAFs). Todos los microcontaminantes estudiados se presentan en la Tabla 2. El análisis de cada muestra se hizo por duplicado.

Tabla 2: Microcontaminantes estudiados.

Resultados

Planta piloto MBR

Debido a la fuerte estacionalidad de una localidad turística como Almuñécar y las intensas precipitaciones sufridas durante el primer trimestre de 2010, la composición del agua entrante a la planta piloto fue extremadamente variable. Durante algún tiempo el agua bruta estuvo altamente cargada debido al incremento de población en la ciudad (julio-agosto) y debido también a los retornos intermitentes procedentes de la centrifugadora del tratamiento de fangos y entre enero y mayo de 2010 vino muy diluida debido a las lluvias. Como se puede observar en las Figuras 2., 3. y 4., los periodos de alta carga pudieron ser lidiados correctamente por la planta, alcanzando una alta eliminación.

Durante el periodo de lluvias, la entrada es similar a la salida de la planta debido a la baja carga del agua. Si bien la eliminación media de nutrientes es ligeramente mayor para la fibra hueca que para la membrana plana, no existe una diferencia significativa entre ambas y las dos tecnologías alcanzan un permeado de alta calidad.

Durante un mes (del 25/08 al 23/09) la planta se mantuvo parada por reparaciones.

Figura 2: Eliminación de nitrógeno total en las dos líneas del MBR.

Figura 3: Eliminación de fósforo total en las dos líneas del MBR.

Tabla 3: Valores medios de salida y eliminación durante el periodo de operación estable (25/06-23/12).

Como se puede ver en la Tabla 3, el agua permeada cumple la normativa según la ley de reutilización (RD 1620/2007) para todos los usos urbanos, agrícolas, industriales y de riego. Si bien los resultados de la campaña de análisis microbiológicos realizada en la planta no se muestran en el presente artículo, se comprobó que los parámetros microbiológicos referidos en la Ley de Reutilización también son cumplidos por el permeado de las dos líneas, lo cual era de esperar si tenemos en cuenta que el tamaño medio de poro de las membranas es significativamente superior que el tamaño medio de los microorganismos estudiados.

Permeabilidad MBR

Debido a que la permeabilidad depende mucho de la temperatura, para poder interpretar los datos sin tener en cuenta su influencia se estableció una corrección en base a la viscosidad del permeado según las ecuaciones 1 y 2, que normalizan la presión transmembrana TMP a 20 °C:

En la Figura 5 se ha representado la permeabilidad de las dos líneas de MBR durante un periodo que se ha considerado representativo ya que los imprevistos ocurridos en la planta han sido los mismos en las dos líneas para este intervalo de tiempo. Como se aprecia en la figura, a pesar de la variabilidad de las condiciones de operación debido a cambios en la composición del agua de entrada y concentración del fango, la tecnología ha demostrado ser robusta, especialmente en el caso de la fibra hueca, que como se puede observar en la Figura 3, apenas vió modificada su permeabilidad frente a los eventos de la planta. La membrana plana sin embargo sí alteró su permeabilidad con los diferentes imprevistos, si bien tras ellos mantuvo una permeabilidad constante y no fue necesario realizar un Lavado químico. La mayor robustez de la fibra hueca se explica debido a que realiza contralavados cada término de ciclo, lo que la mantiene más protegida de ensuciamiento irreversible.

Figura 5: Permeabilidad de las líneas de MBR.

La membrana plana presenta una recuperación de permeabilidad importante tras las paradas (a finales de Noviembre y durante Navidades), remarcando lo vital de la relajación para este tipo de tecnología. La recuperación de la permeabilidad tras las Navidades sin embargo no duró largo tiempo y fue descendiendo gradualmente siguiendo como se aprecia en la figura el descenso de los sólidos totales (TSS) debido a la falta de carga del agua de entrada por las lluvias. Llegado un punto, la permeabilidad se mantiene estable a partir de mediados de Febrero. En general, la permeabilidad de MP sigue durante toda la experimentación la tendencia de los TSS. La influencia del TSS en la permeabilidad en MBR se ha discutido en la literatura (Rosenberger et al., 2005) y concuerda con los resultados presentados en la Figura 3. en que a bajo TSS (como en el presente estudio) existe una correlación positiva entre los sólidos y la permeabilidad, que deja de ser importante entre 8-12 g/l, para pasar a ser negativa a partir de un nivel de TSS de 15 g/l.

En general se puede decir que la ausencia de problemas de ensuciamiento durante el estudio se puede explicar teniendo en cuenta que se trabajó a un flujo moderado y la temperatura en la costa de Granada es relativamente alta durante todo el año y no sufre cambios bruscos. Asimismo, el agua no presenta componentes industriales, de manera que su composición no presenta grandes cambios que puedan afectar al proceso biológico y consecuentemente al ensuciamiento de la membrana.

Eliminación de microcontaminantes

Se presentan a continuación los resultados de la campaña de monitoreo de microcontaminantes (21/07/09-16/10/09). En líneas generales, se observaron rendimientos de eliminación elevados para los compuestos orgánicos en ambos procesos de membrana. En la Figura 6 se presentan los resultados para los PAFs. De todas las sustancias analizadas, sulfametoxazol, trimetoprim y estrona no fueron detectadas con los métodos utilizados. Los PAFs fueron eliminados en un rango de entre el 60 y el 100 % para la membrana PFH (eliminación media 85 %) y entre el 75 y 100 % (media 90 %) en el caso de la membrana PMP. Tales eliminaciones fueron sensiblemente superiores a las encontradas en el tratamiento convencional. Este efecto se aprecia de manera más acusada en el caso de aquellos PAFs que presentan eliminaciones bajas en los procesos de depuración de aguas convencionales, tales como el antiinflamatorio ketoprofeno y el antiepiléptico carbamacepina (Santos et al., 2005).

Figura 6: Eliminaciones medias de principios activos farmacológicos en PHF, PMP y EDAR (EC) de Almuñécar.

Figura 7: Eliminaciones medias de LAS, NPEs y DEHP en PHF, PMP y EDAR (EC) de Almuñécar.

Las eliminaciones encontradas para el DEHP en los procesos de membrana fueron superiores a los encontrados en la depuradora convencional, si bien tales eliminaciones no superaron el 40 % (Figura 7). El rendimiento en ambos procesos fue similar para la eliminación de los tres nonilfenoles estudiados, de 17, 50 y 24 % para los compuestos NP2EO, NP1EO y NP respectivamente. Los rendimientos de eliminación de los LAS (C10, C11, C12 y C13) se muestran en la Figura 7. En todos los casos se observaron rendimientos de eliminación superiores al 50%, encontrándose promedios de eliminación de 80-90% para la suma de los LAS en las dos líneas.

Los biorreactores de membrana son una alternativa viable y robusta para la reutilización de agua en España

Conclusión

Los biorreactores de membrana son una alternativa viable y robusta para la reutilización de agua en España. A pesar de la gran variabilidad del agua de entrada y de diversos imprevistos sucedidos durante la experimentación, la calidad del agua de salida no se vio afectada significativamente y cumplió en todo caso con la Ley de Reutilización para todos los usos urbanos, agrícolas, industriales y de riego. No se encontró una diferencia importante entre la operación de la membrana plana y la fibra hueca, y ninguna de las líneas presentó problemas de ensuciamiento durante la experimentación. Se estudió asimismo la eliminación de microcontaminantes. Los resultados mostraron que, si bien algunas se eliminaron en mayor grado con la tecnología MBR, la diferencia se puede atribuir a que el tiempo de residencia celular del MBR fue mayor que en la EDAR convencional. En cuanto a la comparación entre fibra hueca y membrana plana, no se encontraron diferencias significativas en cuanto a eliminación de micro y macro contaminantes, siendo el efluente de ambas de alta calidad.

Referencias bibliográficas

- Bouju, H., Buttiglieri, G., Malpei, F. (2009) Are MBRs really more efficient in removing pharmaceutical substances? Comparison of a full scale conventional activated sludge process and a MBR pilot plant. IWA MTC Conference, 1-3 Septiembre 2009 Pekín, China.

- Clesceri, L. S., Greenberg, A. E. & Eaton, A. D. (1998) Standard Methods For The Examination of Water and Wastewater. American Public Health Association, Washington, DC.

- Huisjes, H., Colombel, K., Lesjean, K. (2009) The european MBR Market: specifities and future trends. Final MBR-Network Workshop, 31 Marzo-1 Abril 2009 Berlin, Alemania.

- Rosenberger, S., Evenblij, H., Te Poele, S., Wintgens, T. and Laabs, C. (2005), The importance of liquid phase analyses to understand fouling in membrane assisted activated sludge processes - six case studies of different European research groups. J. of Membr. Sci., 263, 1-2, 113-126.

- Santos, J.L., Aparicio, Alonso, I., E. (2005) Occurrence and risk assessment of pharmaceutically active compounds in wastewater treatment plants. A case study: Seville city (Spain).