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1

BIORREACTORES DE MEMBRANAS PARA LA

DEPURACIÓN Y REUTILIZACIÓN DE AGUAS

Raquel Iglesias Esteban Área de Tecnologías del Agua

CEH-CEDEX

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2

La implantación de la tecnología en España

Nº de plantas y capacidad acumulada

Vertido en zonas sensibles

Reutilización de efluentes depurados

Ampliaciones de EDARs

Superficies de implantación limitadas

MBR-MFH Kubota EDAR de Sabadell-Riu Sec, 35.000 m3.d-1

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

05

1015202530354045505560

2003 2005 2007 2009 2011 2013 2014 Cap

acid

ad a

cum

ula

da,

m3 d

-1

Nú

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Año

Núnero de MBR total Número de MBR en construcción Número de MBR proyectados Capadidad acumulada, m3·d-1

Porcentajes sobre el total del volumen por usos

¿?

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Ventajas frente proceso de fangos activos convencional

• Requerimiento de espacio: 40-50% menos (MLSS elevadas (12-18 g.L-1)

• Sin problemas de decantabilidad del fango (sin D2)

• Calidad del efluente bueno y constante (UF-MF separación física)

Desventajas frente proceso de fangos activos convencional

• Costes de implantación y explotación mayores (membranas y energía)

• Ensuciamiento de las membranas

• Mayores necesidades de automatización

• Compleja la eliminación de fósforo vía biológica

• Igual producción de fangos

MBR vs FAC

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4

Calidad del efluente y su reutilización

Calidades del efluente tratado por un sistema de MBR

Calidades establecidas en el RD 1620/2007

• Desinfección (UV; HClO) para

asegurar ausencia E.coli

• Turbidez < 1 UNT; SS < 5 mg.L-1

• Puede alimentar una ósmosis

inversa

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5

Principales características del tratamiento

Influente

Tamiz

< 3mm

urga

Pozo de gruesos

Tanque

homogenización*

Rejas

gruesos/finos

Desarenador-

desengrasador

Membranas

sumergidas

Purga

urga

Recirculación

externa

Digestión

urga

Decantación

Primaria*

Deshidratación

urga

N

DN

Recirculación

interna

Espesamiento

urga

* Procesos opcionales

Reactor biológico

MBR sumergido no integrado

Bomba

• Modificación proceso convencional donde el D2 se sustituye por membranas

• Particularidades de la línea: Pretratamiento, tanque homogenización, recirculación

• Dos sistemas de aireación: proceso biológico y la etapa de filtración

Diagrama de flujo de un MBR sumergido no integrado

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Sistemas externos, sumergidos no integrados e integrados

Membranas

sumergidas

Permeado Influente

Bomba

Tanque

biológico

Recirculación Purga

Tanque

biológico

Membranas

sumergidas

Permeado Influente

Bomba

urga

Purga

Tanque

biológico

Membranas externas

Recirculación Purga

urga

Influente

Bomba

urga

• Recirculación Energía

• Succión o gravedad

• Control del sistema: ensuciamiento

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Proceso biológico

Parámetros diseño y operación: la edad del fango, la carga másica, la concentración de

SSLM, la recirculación, la producción de fangos en exceso y la capacidad de aireación.

- Permite trabajar a SSLM, hasta 18 g.L-1 pero lo habitual 6-10 g.L-1.

- Ratio de recirculación: 3 a 5 veces el caudal medio tratado

- Eliminación de nutrientes: recirculación interna y externa, precipitación química

+ Doble recirculación

+ Tanque de desoxigenación

+ Aumentar la zona anóxica

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Separación por membranas

Los parámetros diseño y operación: Flujo (F); Presión transmembrana (PTM);

Permeabilidad (K); Resistencia de la membrana (R); la viscosidad () de este fluido

Estas variables están relacionadas por la ecuación de Darcy:

F = PTM/(R*)

donde F es el flujo en m3.m-2.s, la PTM en bar, R en m-1 y en bar.s

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Características de las membranas

Clasificación: en función de alguna de sus características como tamaño de poro, el

material del que se componen, su morfología o estructura interna.

- Ultrafiltración o microfiltración

- Polivinilidenofluoruro (PVDF), la politietilsulfona (PES), el polipropileno

(PP), el polivinil pirrolidona (PVP) y el polietileno (PE)

- Planas, fibras y tubulares

- Módulo y bastidor

- Sistema de aireación

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Bastidores y módulos de membrana de placa plana, fibra hueca y tubular

Características de las membranas

Características y parámetros de diseño de MBR según casas comerciales

Parámetro Placa plana Fibra hueca Tubulares

Dirección de flujo Fuera-dentro Fuera-dentro Dentro-fuera

Tipo de flujo Flujo perpendicular Flujo perpendicular Flujo tangencial

Sumergida/externa Sumergida Sumergida Externa

Refuerzo textil Si Algunas Si

Filtración (MF/UF) MF/UF UF UF

PTM operación (bar) 0,03-0,1 0,1-0,3 0,1-0,5

Flujo a Qmedio (LMH) 18-30 25-30 50-65

Placa plana Fibra hueca Tubulares

SADm (m3·m-2·h-1) 0,20-0,35 0,10-0,38 0,20-0,30

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Sistemas de filtración en España

Sumergidas Externas

Fibra hueca Lámina plana Tubulares

Zenon Kubota Norit X-Flow

Siemens-Memcor Toray

Koch-Puron

Huber

Microdyn-Nadir Ecotec

Alfa Laval

Clasificación de los sistemas comerciales comercializados en España

Fotos e información cedidas por las casas comerciales

0

25000

50000

75000

100000

125000

150000

0

2

4

6

8

10

12

14

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18

20

22

24

ZENON KUBOTA TORAY HUBER KOCH MICRODYN

Cap

acid

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3·d

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Casas comerciales

Número de instalaciones

Capacidad, m3 d-1

Capacidad y nº de MBR por casas comerciales, Iglesias R., 2015

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Sistemas de filtración. Anexo I

CARACTERISTICAS GENERALES

Marca (fabricante) ZENON

Modelo W500D

Tipo de filtración (MF, UF) UF

Tipo de configuración (tubular, fibra hueca, plana) Fibra hueca reforzada

Modo de filtración (succión, presión, gravedad, sifón) Succión

Material de la membrana PVDF

Diámetro de poro nominal (micras) 0,034

Tipo de refuerzo Textil

Dimensiones del módulo (mxmxm) 2,198 x 0,844 x 0,049

Dimensiones del bastidor (mxmxm) 2,112x1,745x 0,590

Nº de módulos por bastidor < 48

Superficie de membrana por módulo ( m2) 34,37

Superficie de membrana por bastidor ( m2) 1.649,76

Empaquetado del módulo (m2 membrana /m3) 378

Empaquetado del bastidor (m2 membrana /m3) 172,84

Dirección del flujo De fuera a dentro

Configuración del sistema Sumergido

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Sistemas de filtración. Anexo I

DISEÑO Y OPERACIÓN

Tipo de pretratamiento necesario Tamizado chapa perforada 1-2 mm

Temperatura a la que están referidos los valores de la tabla 20 ºC

SSLM (g.L-1) tanque membrana 12

Caudal de recirculación habitual 3-4Qm

Edad de fango mínima (días) 8

Flujo a caudal medio (L.m-2h-1) 27-29

Flujo a caudal punta (L.m-2h-1) 47-49

PTM operación (bar) 0,1

PTM máxima de permeado (bar) 0,9

PTM máxima de contralavado (bar) 0,55

Permeabilidad (L.m-2h-1bar-1) 250-290

Tipo de aireación Burbuja gruesa intermitente con ciclos

de trabajo 10” aire:10” parada a caudal

punta y 10:30 a caudal nominal

Caudal de aire (Nm3.h-1) por módulo /bastidor 9,7 / 465 por bastidor en 10:10

4,85/232 por bastidor en 10:30

Presión del aire suministrado (bar) 0,3-0,35

SADm (m3 aire/m2 membrana.h) 0,285-0,38

SADp (m3 aire/m3 permeado) 10,5 ( modo 10:10)

Ciclos de trabajo (minutos filtrado/relajado, contralavado, etc.) 10 minutos filtración 1 minuto

contralavado o relax a caudal nominal

Contralavados (con agua filtrada, con aire, etc.) Si. Con agua filtrada

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Operación de las membranas

• Control del ensuciamiento de las membranas

• Eficiencia energética del proceso

• Puesta en marcha (concentración de MLSS adecuada)

• Diseño de las instalaciones (estrategia hidráulica, líneas, etc.)

Sistemas de aireación Separación físico-química Proceso de ensuciamiento

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Control del ensuciamiento

• Tipo de membrana (resistentes al ensuciamiento y químicos)

• Características el agua a tratar (hidrocarburos, acetonas o disolventes)

• Pretratamientos (1mm FH y 2 mm PP)

• Estrategias de operación (ciclos de filtración10:1; PTM: 0,1 bar; LMH:25 )

• Protocolos de limpieza (química y física a través de la aireación, 10:10 o 10:30)

Fotos cedidas por ESAMUR

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Protocolos de limpieza física y química

En función del tipo de membrana: FH y PP

Fibra hueca:

- Física: (10min:1min) contralavados, relajación y aireación en discontinuo 10:10-10:30 seg

- Química: + mantenimiento 250 mg.L-1 hipoclorito y 2.000 mg.L-1 acido cítrico

+ recuperación: 2.000 mg.L-1 hipoclorito y 4.000 mg.L-1 de ácido cítrico

Placa plana:

- Física: (9min:1min) relajación y aireación en continuo

- Química: hipoclorito sódico (12% de pureza y con una dilución al 5%) y ácido oxálico u

ácido cítrico (0,5 y el 1 %)

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Eficiencia energética

• Adaptar las concentraciones de MLSS lo

más bajas posibles

• Bajar caudales de recirculación

• Edades de fango suficientes para tener una

buena permeabilidad (8 días)

Puntos de control del proceso biológico

ESAMUR 2011 www.onlinembr.info

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Eficiencia energética

• Consumo energético de un MBR es 1,5-2 veces mayor que un convencional

• Calidad efluente/energía (Convencional + Regeneración con membranas) es similar

• La aireación supone el 60% de la energía consumida por el MBR

• Los sistemas de control del proceso de filtración son básicos y poco flexibles

Puntos de control del proceso de filtración

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Eficiencia energética

Trabajar con flujos lo más elevados posibles

Ajustar los ciclos de aireación (patentes: Siemens, GE, ITT, ICRA-LEQUIA)

Control integrado procesos biológico-filtración, Ferrero et al 2012

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Parámetro Abreviación Unidad Valores

habituales

Max-Min

Placa plana Fibra hueca

Concentración de fangos SSLM g·L-1

6-8(1)

5 - 10 < 7,5

Coeficiente alfa α 0,35 - 0,5 - -

Edad del fango SRT d > 9 21 - 31 8 - 20

Recirculación Qr % 300-500 300 - 400 150 - 500

Diseño y operación de plantas españolas

Parámetros de diseño proceso biológico de MBR españoles, 2011

Parámetros de diseño del proceso de filtración de MBR españoles, 2011

(1) en función del espacio

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Consumos energéticos

Parámetros de funcionamiento y consumos energéticos de MBR españoles, 2011

El consumo energético por m3 de agua tratada pueden situarse por debajo de 1 kWh para plantas que

tratan más del 50% del caudal de diseño y tratan cargas normales de DBO5

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Problemas detectados en la operación

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Recomendaciones para el diseño

• Controles del proceso abiertos no dependiendo de las casas comerciales

• Caudal a tratar por las membranas lo más constante posible ( tanque de laminación,

líneas de membranas independientes o sistemas duales)

• Periféricos (Bombas sumergibles de baja carga, soplantes, difusores, etc.)

• Deflectores en la entrada de las líneas de las membranas

• Zonas anexas para hacer inspecciones de los bastidores (grúas bastidor mojado).

• Sistema de membrana dimensionado para tratar caudal punta diario con una línea de

membranas parada.

Fotos cedidas por ESAMUR

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Costes de implantación y operación

EDAR Capacidad

m3.d-1

Capacidad h-e Tipo de

proceso(1)

Tipo de

membranas

Superficie

membranas m2

Coste

€.m3.d-1

Coste

€.h-e-1

Vallvidrera 1.100 5.500 N-D+P Fibra hueca 2.526 3.277 655

Vacarisses 1.320 6.600 N-D+P Fibra hueca 3.030 2.130 426

Mar menor 1.880 7.800 AP-N-D Placa plana 3.200 2.002 482

Riquelme 1.575 5.250 AP-N-D Placa plana 3.200 2.074 622

El Valle 1.400 4.666 AP-N-D Placa plana 2.560 1.982 595

San Pedro 20.000 133.333 AP-N-D Fibra hueca 48.537 625 94

(1) N-D+P: proceso convencional con eliminación de nitrógeno vía biológica en una etapa más eliminación de fósforo por

precipitación química: AP-N-D: aireación prolongada con eliminación de nitrógeno vía biológica en una etapa.

Costes de implantación MBR construidos del 2007 al 2011

El coste de implantación de 3200-1000 €.m-3.d-1 y 650-420 €.h-e-1 en capacidades de 1.000 a 10.000 m3.d-1

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Costes de implantación y operación

EDAR Capacidad

m3.d-1

Tratado

m3.d-1 €.m-3 €.kg

DBO5-1eleminado

Tratamiento

fango(1)

Vallvidrera 1.100 849 0,460 2,9 Compostaje

Vacarisses 1.320 683 0,577 4,9 Compostaje

Mar menor 1.880 552 0,480 3,8 Aplicación

agricultura

Riquelme 1.575 362 0,970 18 Aplicación

agricultura

El Valle 1.400 219 1,600 44 Aplicación

agricultura

San Pedro 20.000 8.247 0,241 1,5 Aplicación

agricultura

Costes de explotación de plantas MBR, año 2011.

- Los fangos suponen entre el 20% y el 30% de los costes totales de explotación, coste medio del

tratamiento de 15 a 20 euros por tonelada de materia húmeda de fango para la aplicación en agricultura,

30 a 35 euros por tonelada de materia húmeda de fango para el compostaje y de 40 a 60 euros.

- Los costes de explotación por m3 de agua tratada pueden situarse entre 0,2 - 0,5 €.m-3 para plantas que

tratan más del 50% del caudal de diseño y tratan cargas normales de DBO5 en plantas con capacidades

de diseño por debajo de los 5.000 m3.d-1.

- Los coste de explotación en relación a la energía se situaría entre los 0,06 y los 0,13 €.m-3.

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• Tipo de contaminación a tratar

• Rango de población

• Calidad del efluente

• Variaciones de caudal

• Impactos ambientales

• Costes de implantación y explotación

- Energía consumid

- Durabilidad de las membranas

Tecnología Consumo energético (kwh.m-3)

MBR, con eliminación de nutrientes < 1

Aireación Prolongada, con eliminación de nutrientes 0,4-0,8

Aireación Prolongada, con eliminación de nutrientes

+ Tratamiento regeneración convencional

0,6-1,0

Aireación Prolongada, con eliminación de nutrientes

+ Tratamiento regeneración avanzado

1-1,2

Costes de implantación en €.m-3.d-1 de MBR frente a los de aireación

prolongada con distintos tratamientos de regeneración

Criterios de implantación

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Opción frente otras tecnologías de depuración

• Vertidos en zonas con una sensibilidad ambiental

• Reutilizar el agua depurada

• Disponibilidad de terrenos limitados

• Como pretratamiento de ósmosis o EDR con objeto de reutilizar el agua

• En instalaciones hoteleras, complejos de ocio o similar, donde se precisan tratamientos

compactos y fáciles de cubrir

EDAR de MBR de San Pedro del Pinatar (Murcia)

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28

raquel.iglesias@cedex.es

Gracias por su atención

CEDEX-ESAMUR-ACA-ICRA, 2014 Nº168, 2012