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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

TRATAMIENTO BIOLÓGICO CON REACTORES AERÓBICOS MEDIANTE LODOS ACTIVADOS TIPO MBR

CAMILO ANDRÉS GALLANO GALLEGOS

Santiago-Chile 2014

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

TRATAMIENTO BIOLÓGICO CON REACTORES AERÓBICOS MEDIANTE LODOS ACTIVADOS TIPO MBR

CAMILO ANDRÉS GALLANO GALLEGOS

Profesor Guía: Humberto Micheli Trabajo de titulación presentado en conformidad

a

los

requisitos

para

obtener el título de Ingeniero Civil Químico.

Santiago-Chile 2014

© Camilo Gallano Gallegos. Se autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con fines académicos, por cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuando se incluya la cita bibliográfica del documento.

i

HOJA DE CALIFICACIÓN

ii

RESUMEN El presente trabajo comprende el estudio de una alternativa en la depuración de las aguas residuales, atendiendo de esta forma una problemática ambiental referido a la contaminación de este importante recurso vital como lo es el agua, propendiendo a la conservación y protección del medio ambiente. Por lo tanto, el motivo de este trabajo corresponde a la evaluación comparativa de la tecnología de Bioreactor de Membranas (MBR) frente al tratamiento convencional de Lodos Activados (CAS), de manera de englobar los aspectos técnicos y económicos de ambas alternativas de tratamiento de aguas residuales. Por esta razón, se propone abordar la aplicación de la tecnología de membranas, estableciendo en primer lugar una evaluación teórica, es decir, abordando los principios en la depuración biológica, como además analizando las diferentes tecnologías de tratamiento biológico y finalmente los distintos tipos de membranas utilizados en la industria de la depuración de aguas, con el objetivo de evaluar los inconvenientes y ventajas que la tecnología de membranas ofrece en comparación al tratamiento de lodos convencional. En segundo lugar, se realiza un trabajo práctico en el desarrollo de un proyecto para tratar los residuos industriales de una Embotelladora de bebidas no alcohólicas, cuyo trabajo involucra la operación de membranas tipo placa plana, involucrando la ingeniería y la ejecución del proyecto en cuestión. Por último, se realiza un estudio económico, de manera de comparar la tecnología de Bioreactor de Membranas (MBR) y el tratamiento Convencional de Lodos Activados (CAS), evaluando los costos tanto de inversión como de operación para ambas alternativas, con el objetivo de establecer la viabilidad de la inclusión de la tecnología de membranas en la depuración de las aguas residuales. Por consiguiente, realizando el dimensionamiento respectivo y comprendiendo lo que ambas alternativas engloban, se desprende del estudio económico que la tecnología de Bioreactor de Membranas y la Convencional de Lodos Activados, presentan un valor actual de costos (VAC) US 2.214.939 y US 2.390.575, un costo actual equivalente (CAE) de US 321.101 y US 346.563 y un costo unitario (CU)

por volumen tratado

de

3

0,73 y 0,77 US/m ,

respectivamente. En definitiva, el presente trabajo propone que en términos económicos, la incorporación de las membranas al tratamiento de aguas residuales es efectivamente viable, presentando índices económicos favorables en comparación al tratamiento Convencional de Lodos Activados. Sin embargo, es necesario tener en cuenta que al ser una tecnología prácticamente nueva en nuestro país, es muy relevante atender a las mejores condiciones de operación para una óptima ejecución de la tecnología de Bioreactor de Membranas.

iii

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a todas las personas que son parte de la culminación de esta etapa de estudio, en primer lugar, rescatar el concepto de agradecer, entendiéndolo como valorar lo entregado y comprender que todo apunta a un aprendizaje constructivo. Es por esto, que estoy infinitamente agradecido de mis Padres, Rosa y Omar, por su absoluta preocupación en la educación y el amor fundado a lo largo de mi vida, siempre estaré orgulloso de tenerlos como mis dos pilares fundamentales que impulsan a seguir siempre para delante. Luego, quiero agradecer a mi familia por la compañía en cada momento, a Norma por tantas situaciones que hemos pasado como hermanos, y que cuentes conmigo para lo que sea, cuenta con mi confianza Sofi. Para la que considero parte mía, Beatriz por tu incondicional apoyo y amor en lo que se anteponga, estoy orgulloso de tenerte como polola, compañera y amiga. Para mis hermanitos Pamela por su bondad absoluta, no cambies Shaushi, Francisca por su entrega y amor en lo que realiza, nunca te duermas Pocoyo, Carlitos que siempre cuente conmigo para lo que sea, Patito que siga creciendo con energías (no tantas), Michelo y mi familia compatriota que siga con el empuje de siempre peritos, Cristián y Marcelo les deseo fuerza en sus sueños. Además, agradecer a mi otra familia que son mis amigos, los que hemos pasado momentos buenos y malos, Claudio Matte siempre presente, valoro mucho a todos mis hermanos de la vida, Negro, Manu, Zafra, Panchito, Tiger, a todos sin exclusión. Para mis compañeros y amigos, team 3P por cuantos momentos sagrados vividos, a Club Deportivo Fatzu Monrroy, por tan anhelados partidos y tercer tiempo vividos. También, agradecer a quién me dio la oportunidad de finalizar esta etapa de estudio, Juan Providell por la paciencia y disposición de enseñarme el mundo laboral, infinitamente agradecido. A la familia Bapa por el apoyo en cada transcurso vivido, Macarena, Max, Juan Cea, Ercia, Guillermo, JP Basterrechea, Claudio, Panchop, Gerardo, Carloncho, Mari, los viejos de terreno, muchas gracias por el apoyo en cualquier inquietud que se me presentó. Finalmente, agradecer al profesor guía Humberto Micheli, por su disposición y ayuda en la elaboración del trabajo, y destacar las correcciones de la comisión presente.

iv

TABLA DE CONTENIDOS

HOJA DE CALIFICACIÓN _____________________________________________________ II

RESUMEN __________________________________________________________________ III

AGRADECIMIENTOS _________________________________________________________ IV

TABLA DE CONTENIDOS _____________________________________________________ V

INDICE DE TABLAS _________________________________________________________ VIII

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES___________________________________________________ X

CAPITULO I ____________________________________________________ INTRODUCCIÓN

___________________________________________________________________________ 1 1.1

CONTEXTO DEL ESTUDIO ____________________________________________________ 1

1.2

OBJETIVOS ______________________________________________________________ 3

1.2.1

OBJETIVO GENERAL ______________________________________________________ 3

1.2.2

OBJETIVOS ESPECÍFICOS __________________________________________________ 3

CAPITULO II __________________________________________________ ANTECEDENTES

___________________________________________________________________________ 4 2.1

SITUACIÓN EN CHILE _______________________________________________________ 4

2.1.1

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES _________________________________________ 4

2.1.2

NORMATIVA AMBIENTAL ___________________________________________________ 4

2.2

PRINCIPIOS DE LA DEPURACIÓN BIOLÓGICA ______________________________________ 5

2.2.1

MICROBIOLOGÍA _________________________________________________________ 5

2.2.2

CINÉTICA DE CRECIMIENTO _________________________________________________ 7

2.2.3

COEFICIENTE NETO DE RENDIMIENTO__________________________________________ 8

2.2.4

BALANCE DE MASA _______________________________________________________ 8

2.2.5

CRITERIOS DE CARGA ____________________________________________________ 10

2.2.6

PRODUCCIÓN DE LODOS __________________________________________________ 11

v

2.2.7 2.3

NECESIDADES DE OXÍGENO ________________________________________________ 11 TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONALES (CAS) ____________ 12

2.3.1

LODOS ACTIVADOS ______________________________________________________ 13

2.3.2

FILTROS PERCOLADORES _________________________________________________ 14

2.3.3

BIODISCOS ____________________________________________________________ 14

2.3.4

SBR (REACTOR BIOLÓGICO SECUENCIAL) _____________________________________ 14

2.4

TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE BIOREACTOR DE MEMBRANA (MBR) ____________________ 14

2.4.1

INTRODUCCIÓN_________________________________________________________ 14

2.4.2

HISTORIA DE LOS BIOREACTORES DE MEMBRANA _______________________________ 15

2.4.3

MERCADO ACTUAL Y PROYECCIONES _________________________________________ 16

2.4.4

TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS ______________________________________________ 18

2.4.5

MATERIALES DE MEMBRANAS ______________________________________________ 19

2.4.6

CONFIGURACIÓN DE LAS MEMBRANAS ________________________________________ 19

2.4.6.1

Placa plana _________________________________________________________ 20

2.4.6.2

Multi-tubular ________________________________________________________ 20

2.4.6.3

Fibra hueca _________________________________________________________ 20

2.4.7

TIPOS DE CONFIGURACIONES DE LAS MEMBRANAS _______________________________ 22

2.4.7.1

Bioreactores con membrana integrada o sumergida _________________________ 22

2.4.7.2

Bioreactores con membrana externa _____________________________________ 22

2.4.8

COMPARACIÓN TÉCNICA ENTRE UN REACTOR DE LODOS ACTIVOS (CAS) Y UN BIOREACTOR DE

MEMBRANAS (MBR) ___________________________________________________________ 23 2.4.9

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MBR ______________________________________ 24

2.4.10

OPERACIÓN DE MEMBRANAS ______________________________________________ 25

2.4.10.1

Balance de masa ___________________________________________________ 26

2.4.10.2

Presión de filtración__________________________________________________ 27

2.4.11

ENSUCIAMIENTO DE LA MEMBRANA (FOULING) _________________________________ 29

2.4.11.1

Modelo de resistencias en serie ________________________________________ 33

2.4.11.2

Control del ensuciamiento ____________________________________________ 34

2.4.11.3

Factores que afectan el ensuciamiento __________________________________ 34

CAPITULO III DESARROLLO

PRÁCTICO

__________________________________________________________________________ 36 3.1

INTRODUCCIÓN __________________________________________________________ 36

3.2

PROYECTO EMBOTELLADORA _______________________________________________ 36

3.2.1

PROBLEMÁTICA ________________________________________________________ 36

vi

3.2.2

PLANTA EXISTENTE ______________________________________________________ 37

3.2.3

CARACTERIZACIÓN DEL RESIDUO LIQUIDO INDUSTRIAL ____________________________ 39

3.2.4

PLANTA CON MEJORAMIENTOS _____________________________________________ 41

3.2.4.1

Selección de la configuración de Membrana _______________________________ 41

3.2.4.2

Caracterización de la Membrana de placa plana de Kubota ___________________ 43

3.2.4.3

Ejecución del proyecto en Embotelladora _________________________________ 46

3.2.4.4

Recomendaciones ___________________________________________________ 48

3.2.5

DIMENSIONAMIENTO DE ALTERNATIVAS _______________________________________ 48

3.2.5.1

Dimensionamiento alternativa MBR ______________________________________ 49

3.2.5.2

Especificación de Equipos e Instrumentación y Control alternativa MBR _________ 51

3.2.5.3

Dimensionamiento alternativa CAS ______________________________________ 55

3.2.5.4

Especificación de Equipos e Instrumentación y Control alternativa CAS __________ 57

CAPITULO IV ESTUDIO

ECONÓMICO

__________________________________________________________________________ 61 4.1

COSTOS DE INVERSIÓN ____________________________________________________ 61

4.1.1

COSTOS DIRECTOS ______________________________________________________ 61

4.1.2

COSTOS INDIRECTOS ____________________________________________________ 62

4.1.3

CUADRO RESUMEN DE COSTOS DE INVERSIÓN __________________________________ 63

4.2

COSTOS DE OPERACIÓN ___________________________________________________ 64

4.2.1

COSTOS FIJOS _________________________________________________________ 64

4.2.2

COSTOS VARIABLES _____________________________________________________ 65

4.2.3

CUADRO DE RESUMEN DE COSTOS OPERACIONALES______________________________ 66

4.3 4.3.1 4.4

EVALUACIÓN ECONÓMICA __________________________________________________ 68 INDICADORES ECONÓMICOS _______________________________________________ 68 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD _________________________________________________ 70

4.4.1

CASO 1: REPOSICIÓN DE MEMBRANAS ________________________________________ 70

4.4.2

CASO 2: PERSONAL _____________________________________________________ 71

4.4.3

CASO 3: REUSO DEL AGUA ________________________________________________ 72

4.5

DISCUSIÓN DE RESULTADOS ________________________________________________ 73

CONCLUSIONES ___________________________________________________________ 74

BIBLIOGRAFÍA _____________________________________________________________ 75

vii

NOMENCLATURA __________________________________________________________ 78

APÉNDICE A _______________________________________________________________ 80

MATERIAL COMPLEMENTARIO _______________________________________________ 81

INDICE DE TABLAS Tablas del Capítulo 2 Tabla 2.1: Tipos de metabolismos microbianos en el biotratamiento de aguas residuales. (Judd, The MBR Book, 2011) _________________________________________________________ 5 Tabla 2.2: Características generales de Membranas (IWA Publishing, Ltd., Londres) _______ 18 Tabla 2.3: Comparación entre ambos tipos de configuraciones de membranas. ___________ 23 Tablas del Capítulo 3 Tabla 3.1: Caracterización del RIL _______________________________________________ 40 Tabla 3.2: Calidad de efluente requerida __________________________________________ 40 Tabla 3.3: Especificación del módulo de Membrana _________________________________ 45 Tabla 3.4: Resultados para el diseño de Bioreactor de Membrana (MBR) ________________ 49 Tabla 3.5: Especificaciones de las bombas ________________________________________ 50 Tabla 3.6: Especificación del agitador mecánico ____________________________________ 51 Tabla 3.7: Especificación de Soplador Preaireación _________________________________ 51 Tabla 3.8: Especificación de Soplador MBR _______________________________________ 52 Tabla 3.9: Especificación de Válvula actuada para ingreso Ril y limpieza de difusores ______ 52 Tabla 3.10: Especificación de Válvula actuada de sobrepresión _______________________ 52 Tabla 3.11: Especificación de Flujo metro _________________________________________ 52 Tabla 3.12: Especificación de Sensor Oxígeno Disuelto ______________________________ 53 Tabla 3.13: Especificación de Sensor de pH _______________________________________ 53 Tabla 3.14: Especificación de Sensor de nivel Hidroestático __________________________ 53 Tabla 3.15: Especificación de Sensor de nivel tipo Peras _____________________________ 53 Tabla 3.16: Especificación de Transmisor de presión ________________________________ 54 Tabla 3.17: Especificación del módulo de Membrana ________________________________ 54 Tabla 3.18: Resultados para el diseño del Bioreactor de lodos activados convencional (CAS) 54 Tabla 3.19: Especificaciones del Sedimentador Secundario ___________________________ 55 Tabla 3.20: Especificaciones de las bombas _______________________________________ 56 Tabla 3.21: Especificación del agitador mecánico ___________________________________ 57 Tabla 3.22: Especificación del agitador sumergible _________________________________ 57

viii

Tabla 3.23: Especificación de Soplador Preaireación ________________________________ 57 Tabla 3.24: Especificación de Puente barredor _____________________________________ 57 Tabla 3,25: Especificación de Válvula actuada para ingreso Ril y limpieza de difusores _____ 58 Tabla 3.26: Especificación de Flujo metro de ingreso Ril _____________________________ 58 Tabla 3.27: Especificación de Flujometro de RAS y WAS ____________________________ 58 Tabla 3.28: Especificación de Sensor Oxígeno Disuelto ______________________________ 58 Tabla 3.29: Especificación de Sensor de nivel tipo Peras para estanque de nutrientes y sedimentador _______________________________________________________________ 60 Tablas del Capítulo 4 Tabla 4.1: Tabla comparativa de costos de inversión ________________________________ 63 Tabla 4.2: Valor actual para los costos operacionales _______________________________ 67 Tabla 4.3: Tabla de resumen de los indicadores económicos __________________________ 69 Tabla 4.4: Resultados de los indicadores económicos para el primer caso _______________ 70 Tabla 4.5: Resultados de los indicadores económicos para el segundo caso _____________ 71 Tabla 4.6: Resultados de los indicadores económicos para el tercer caso ________________ 72 Tablas del Apéndice A Tabla A.1: Parámetros biocinéticos propuestos en el dimensionamiento _________________ 80 Tabla A.2: Parámetros en la sedimentación secundaria de lodos activados (Hernandez, 1997) 80

ix

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Figuras del Capítulo 2 Figura 2.1: Fases crecimiento microbiano. _________________________________________ 6 Figura 2.2: Reactor con recirculación y purga. ______________________________________ 9 Figura 2.3: Distintas configuraciones de tratamientos biológicos en tratamiento de aguas (Eddy, 1995) _____________________________________________________________________ 13 Figura 2.4: Instalaciones de MBR a nivel mundial de diversas compañías (Judd, The MBR Book, 2011) _____________________________________________________________________ 16 Figura 2.5: Comportamiento del mercado de los MBRs para usos urbanos e industriales (B. Lesjean, 2008) ______________________________________________________________ 17 Figura 2.6: Proveedores de módulos de membrana por lugar geográfico. (Judd, The MBR Book, 2011). _____________________________________________________________________ 17 Figura 2.7: Representación de una membrana _____________________________________ 18 Figura 2.8: Configuraciones de membranas a) Placa plana (FS) b) Multitubular (MT) c) Fibra hueca (HF) (Judd, The MBR Book, 2011) _________________________________________ 21 Figura 2.9: Esquema que muestra la dirección de flujo a permear. (Judd, The MBR Book, 2011) __________________________________________________________________________ 21 Figura 2.10: Bioreactor con membrana sumergida __________________________________ 22 Figura 2.11: Bioreactor con membrana externa ____________________________________ 23 Figura 2.12: Esquema comparativo de la alternativa de Lodos activados convencional (CAS) y Bioreactor de membranas (MBR) _______________________________________________ 24 Figura 2.13: Flujo de alimentación con respecto a la membrana a) Flujo directo b) Flujo tangencial __________________________________________________________________ 26 Figura 2.14: Diagramas de corrientes en la membrana. ______________________________ 26 Figura 2.15: a) Operación con PTM constante b) Operación con flujo constante (Fane, 2002) 28 Figura 2.16: Variación de la PTM en función del flujo de permeado (Ognier, 2002)_________ 29 Figura 2.17: Distribución de la torta de ensuciamiento, tanto como ensuciamiento biológico y orgánico.___________________________________________________________________ 30 Figura 2.18: Mecanismos de resistencias en bioreactores de membranas. _______________ 31 Figura 2.19: Esquema que representa los ciclos de ensuciamiento con su correspondiente limpieza. ___________________________________________________________________ 32 Figura 2.20: Evolución de la presión transmembrana en un MBR que opera a flujo constante (Abellan, 2013) ______________________________________________________________ 33 Figuras del Capítulo 3 Figura 3.1: Diagrama de Bloques planta existente. __________________________________ 37 Figura 3.2: Diagrama de Proceso de planta existente ________________________________ 38

x

Figura 3.3: Línea existente de tratamiento de lodos convencional ______________________ 39 Figura 3.4: Principios de funcionamientos del módulo de membrana Placa Plana __________ 44 Figura 3.5: a) Módulo de membrana b) Cartucho de membrana c) Módulos de membrana instalados en el estanque acumulador ___________________________________________ 46 Figura 3.6: a) Vista general del Estanque acumulador, en el cual se realizan pruebas de difusores con agua limpia b) Membranas sumergidas en operación. ____________________ 48 Figura 3.7: Bioreactor de Membrana (MBR) _______________________________________ 49 Figura 3.8: Layout alternativa de Bioreactor de Membrana (MBR) ______________________ 51 Figura 3.9: Layout de la Lodos activados convencionales (CAS) _______________________ 56 Figuras del Capítulo 4 Figura 4.1: Costos de inversión para los costos directos e indirectos ____________________ 64 Figura 4.2: Valor actual de costos operacionales ___________________________________ 67 Figura 4.3: Costos proyectados en el horizonte de evaluación _________________________ 69 Figura 4.4: Resultados de los valores operacionales para el primer caso ________________ 70 Figura 4.5: Resultados de los valores operacionales para el segundo caso ______________ 71 Figura 4.6: Resultados de los valores operacionales para el tercer caso _________________ 72

xi

CAPITULO I

1.1

INTRODUCCIÓN

Contexto del estudio El tratamiento del agua residual cumple una función ambiental muy importante, así

como restablecer la calidad de este recurso hídrico que es fundamentalmente contaminada por la actividad humana. De esta manera se propende a la protección y conservación de la diversidad biológica, promoviendo de esta manera al desarrollo sustentable. Actualmente, las autoridades gubernamentales a nivel mundial han endurecido las normativas que exigen el tratamiento de aguas residuales y los límites de vertido, este hecho ha requerido de nuevos estudios de procesos que permitan cumplir con dichas normativas. Teniendo en cuenta esta problemática, se ha estudiado tratar el agua residual mediante una tecnología que se adapte a las necesidades del medio, es en este contexto que se estudia una nueva tecnología denominada Bioreactores de Membrana (MBR) (Alcarria Escribano, 2005). La tecnología de Bioreactores de Membrana puede definirse como una modificación de los procesos convencionales de tratamiento biológico, compuesta de dos partes integradas en una sola: por un lado, el reactor biológico y por otro, la separación física de la biomasa y el agua mediante un sistema de filtración directa con membranas (Garnika, 2004). En un principio la tecnología de membrana tenía limitado uso y solamente se empleaba como tratamiento terciario en el proceso convencional, debido principalmente a su elevado coste de inversión y de operación, así como a un inadecuado conocimiento de las ventajas potenciales de las membranas en el tratamiento de las aguas residuales. Sin embargo, con la aparición de módulos de membrana menos costosos y más eficientes, junto con el endurecimiento de los requisitos de vertido la tecnología de membrana ha vuelto a cobrar un importante interés (García, 2013). Entre las ventajas más destacadas de esta tecnología frente a la de lodos activados cabe destacar el menor tamaño de la instalación (entre 2-5 veces menor al sistema convencional para mismas cargas másicas), la elevada tasa de degradación de los contaminantes, siendo hasta 5 veces superior, menor producción de lodos (entre 30-50% menos) así como una alta calidad del efluente obtenido mediante la eliminación de sólidos suspendidos, nutrientes o microorganismos. Sin embargo, esta tecnología presenta todavía limitaciones que impiden su mayor utilización, destacando en primer lugar el elevado coste de instalación y reemplazo de membranas, los altos costes de operación por las necesidades de aireación y el ensuciamiento

1

de las membranas necesitando reactivos químicos para la limpieza de las mismas (García, 2013). El presente trabajo, se contextualiza en un estudio comparativo sobre la factibilidad técnica-económica de la alternativa del Bioreactor de Membrana (MBR), como una opción viable frente al tratamiento de lodos convencional (CAS). En primera instancia, se realiza un estudio teórico del proceso secundario (biológico) en el tratamiento de aguas, identificando los parámetros para el posterior diseño de ambas alternativas, además se evalúa técnicamente la utilización de membranas en la depuración de las aguas residuales, realizando un estudio en la operación de membranas, comparando diferentes tipos, configuraciones y características operacionales. En segundo lugar, se trabaja en el desarrollo de un proyecto involucrando una tecnología en específica de membranas, el cual corresponde a membranas sumergidas tipo Placa Plana, este desarrollo práctico involucra la elaboración de los diagramas de procesos (PFD, P&ID), la recopilación de los distintos equipos e instrumentos comprometidos y las diversas características operativas en la ejecución del proyecto. Finalmente, se efectúa un estudio económico para ambas alternativas, englobando de esta manera la comparación de los costos de inversión y operacionales de ambas tecnologías, con sus respectivos indicadores económicos, los cuales en conjunto con la factibilidad técnica, son preponderantes en la toma de decisiones.

2

1.2

Objetivos

1.2.1

Objetivo general

Realizar una evaluación comparativa técnica-económica del tratamiento de Bioreactor de Membranas (MBR) y el tratamiento de Lodos Activados Convencionales (CAS).

1.2.2

Objetivos específicos

-

Determinar las diferencias técnicas entre la tecnología de Bioreactor de Membranas (MBR) y la Convencional de Lodos Activados (CAS).

-

Determinar el tamaño y cantidad de equipos e instrumentos involucrados en la instalación de ambas tecnologías en estudio.

-

Establecer mediante una evaluación económica si la tecnología de Biroeactor de Membranas es rentable.

3

CAPITULO II

2.1

Situación en Chile

2.1.1

Tratamiento de aguas residuales

ANTECEDENTES

En primera instancia el trabajo expuesto se enmarca dentro del ámbito nacional, es por esto que es fundamental destacar algunas características principales del tratamiento de aguas residuales. Con respecto a la tecnología biológica, es necesario destacar que la tecnología de lodos activados (CAS) es la más común en Chile, siendo utilizada en el 61% de las plantas en sus diferentes variaciones: aireación extendida, zanjas de oxidación y reactores batch secuenciales. Dentro de las distintas tecnologías de lodos activados, la más utilizada es la aireación extendida con un 62% de las plantas de lodos activados. Actualmente, las tecnologías de membranas han tenido un desarrollo muy importante en el mundo durante la última década, tanto para tratamiento secundario como para tratamiento avanzado., sin embargo, a nivel nacional su utilización no ha sido masificada (Barañao, 2003). 2.1.2

Normativa Ambiental La Superintendencia del Medio Ambiente (SMA) debe, entre otros, fiscalizar el

cumplimiento de las Normas de Emisión de residuos líquidos hacia cuerpos de agua superficiales, subterráneos y marinos. A continuación, se presentan los decretos ligados al tratamiento de residuos líquidos industriales: El Decreto Supremo N°90/2000 tiene por objeto regular la descarga de contaminantes hacia cursos de aguas marinas y continentales superficiales mediante la fijación de límites máximos permisibles para la descarga de residuos líquidos, previniendo así de la contaminación de dichos cuerpos de agua. Este decreto establece que toda fuente que descargue sus residuos líquidos a uno o más cuerpos de agua, deberá caracterizar sus residuos líquidos a modo de evaluar si califica como fuente emisora y si cumple la norma de emisión. El Decreto Supremo N°46/2002 tiene por objeto regular la descarga de contaminantes hacia aguas subterráneas, mediante la fijación de límites máximos permisibles para la descarga de residuos líquidos, con el objeto de prevenir la contaminación de los acuíferos. Este decreto establece que toda fuente que descargue sus residuos líquidos mediante obras de infiltración, deberá caracterizar los residuos generados a modo de evaluar si califica como fuente emisora y si queda sujeta al cumplimiento de norma de emisión (Superintendencia del Medio Ambiente, 2012).

4

El Decreto Supremo N°609/1998, regula las descargas de residuos industriales líquidos a sistemas de alcantarillado, evitando de esta forma que los residuos industriales líquidos puedan contener sustancias radiactivas, corrosivas, venenosas, infecciosas, explosivas o inflamables, sean éstas sólidas, líquidas, gases o vapores, y otras de carácter peligroso en conformidad a la legislación y reglamentación vigente (Biblioteca del Congreso Nacional de Chile, 1998). 2.2

Principios de la depuración biológica

2.2.1

Microbiología El tratamiento biológico es un aspecto importante en los procesos de tratamiento y

reutilización de aguas residuales industriales y urbanas, ya que es el tratamiento mediante el cual se consigue la eliminación de la materia orgánica presente en las aguas residuales. En primer lugar, cabe destacar la acción de una gran variedad de microrganismos, principalmente bacterias, que se utilizan para convertir la materia orgánica carbonosa coloidal y disuelta en diferentes gases y tejido celular. Dado que el tejido celular tiene un peso específico ligeramente superior al del agua, se puede eliminar por decantación (Eddy, 1995). Los organismos pueden igualmente clasificarse según su capacidad para utilizar oxígeno en aerobios, anaerobios y facultativos. Los organismos aerobios son aquellos que sólo pueden existir en presencia de oxígeno molecular, los anaerobios los que existen solamente en un ambiente en ausencia de oxígeno, y los facultativos, aquellos que tienen la capacidad de sobrevivir con o sin oxígeno libre. A continuación, se presentan los tipos de metabolismos microbianos en el tratamiento de aguas residuales. Tabla 2.1: Tipos de metabolismos microbianos en el biotratamiento de aguas residuales. (Judd, The MBR Book, 2011)

Compuesto

Electrón aceptor

Tipo

O2

Aeróbico

Nitrificación

O2

Aeróbico

Desnitrificación

NO3

Facultativo

Sulfato

Reducción de sulfato

2SO4

Anaeróbico

Carbono orgánico

Metanogénesis

CO2

Anaeróbico

Carbono orgánico Amonio Nitrato

Proceso Biodegradación aeróbica

5

El pH de una solución es asimismo un factor clave en el crecimiento de los organismos, la mayoría de estos no pueden tolerar niveles de pH por encima de 9,5 o por debajo de 4. Por lo general, el pH óptimo para el crecimiento se encuentra entre 6 y 8. (Alcarria Escribano, 2005) La velocidad de reacción de los microorganismos aumenta con la temperatura, entonces según el grado de temperatura en el que se desarrollan las bacterias se pueden clasificar en: si se adaptan a bajas temperaturas (100.000

0,1-10

1-30

Cribado Cribado + (solución/difusión + exclusión) Solución/difusión

>2000-100.000

0,01-0,1

3-80

300-1000

0,001-0,01

70-220

50-200

Sin poros

300-1000

18

Las siguientes observaciones se pueden desprender de la Tabla 2.2: 

Microfiltración y Ultrafiltración no remueven iones o sales, en general, remueven solidos disueltos.



Microfiltración puede remover bacterias y microorganismos patógenos.



Ultrafiltración remueve algunos virus.



La osmosis inversa remueve la mayoría de los sólidos, incluyendo sales disueltas e iones metálicos (Water Environment Federation, 2006).

2.4.5

Materiales de membranas Las membranas que se utilizan en los MBRs son de ultrafiltración y microfiltración, que

en cuanto a su composición, cumplen los siguientes requisitos: 1. Inertes 2. Fáciles de limpiar y regenerar, por lo que deben ser resistentes a los agentes químicos como también a las presiones y temperaturas elevadas. 3. Tener una distribución de poros uniforme y elevada porosidad 4. Neutras o presentar una carga negativa para evitar la adsorción de microorganismos 5. Duraderas y fáciles de sustituir Principalmente existen dos tipos de materiales que suelen utilizarse en el tratamiento de aguas residuales, las membranas cerámicas y las poliméricas. Las membranas cerámicas suelen tener mayor estabilidad química, mecánica y térmica que las membranas poliméricas, sin embargo las membranas cerámicas son muy frágiles, por lo que la mayoría de las empresas que comercializan membranas destinadas a tratamiento de aguas residuales utilizan membranas poliméricas. Las membranas poliméricas de uso común en los biorreactores de membrana son las de polifluoruro de vinilideno (PVDF), polietersulfonas (PES), polietileno (PE) y polipropileno (PP). Estas membranas normalmente son hidrofílicas para evitar un ensuciamiento rápido de la membrana, aunque algunos de los materiales de fabricación son hidrofóbos, como pueden ser el PVDF y el PP, a los cuales se les aplica un tratamiento químico especial en su manufactura para garantizar que la superficie de la membrana sea hidrofílica. (Martinez, 2009) 2.4.6

Configuración de las membranas La configuración de la membrana se refiere a su geometría y la manera en que esta es

orientada en relación con el flujo de agua. El módulo de membranas define como se agrupan las membranas y permite conocer el comportamiento del fluido sobre la superficie de esta.

19

La membrana deberá ser configurada para tener: a. Gran superficie de membrana. b. Un alto grado de turbulencia para la promoción de transferencia de masas sobre el lado del afluente. c.

Un gasto de energía bajo por volumen de agua producido.

d. Un precio bajo por membrana en relación al área. e. Un diseño que facilita la limpieza f.

Un diseño que permite la modulación. (Judd, The MBR Book, 2011) A continuación se presentan las 3 configuraciones con mayor participación en el

mercado actual: 2.4.6.1 Placa plana En estos módulos, la alimentación circula entre las membranas de dos placas adyacentes. Las membranas se mantienen separadas entre sí por medio de espaciadores cuya anchura es del orden de 2 mm (Fariñas, 1999) La membrana plana permite la formación de biopelícula sobre su superficie y, mediante el control de su crecimiento, se obtiene un mayor rendimiento del reactor. El agua atraviesa la membrana, mientras la biomasa permanece en el reactor. (Redondo, 2012) 2.4.6.2 Multi-tubular Está formado por cáscaras cilíndricas que contienen un número variable de membranas tubulares, estas membranas están constituidas por un soporte poroso de papel o fibra de vidrio sobre el que se deposita la superficie filtrante. Los módulos tubulares suelen tener longitudes de 13 cm – 20 cm, con 4 – 6 membranas de 0.5 cm – 1 cm de diámetro, dispuestas en su interior. (Revolorio, 2010) 2.4.6.3 Fibra hueca Esta tecnología emplea membrana de fibra hueca en el rango de la ultrafiltración, con un tamaño de poro de entorno a los 0,04 µm. Es una membrana moderadamente hidrofóbica con una trenza textil interior recubierta de una película de membrana de PVDF. Entre las fibras que componen la membrana quedan espacios por los que circula el fango, que rodea completamente las fibras y el proceso de filtrado se produce de fuera a dentro, mediante succión provocada por bomba o por gravedad. Los sólidos quedan retenidos en la superficie produciendo un permeado libre de sólidos. (Arévalo Vilches, 2011)

20

Figura 2.8: Configuraciones de membranas a) Placa plana (FS) b) Multitubular (MT) c) Fibra hueca (HF) (Judd, The MBR Book, 2011)

Figura 2.9: Esquema que muestra la dirección de flujo a permear. (Judd, The MBR Book, 2011)

21

2.4.7

Tipos de configuraciones de las Membranas Los bioreactores de membrana están compuestos principalmente por dos partes, en

primer lugar por la unidad biológica responsable de la degradación de los compuestos presentes en el agua residual, y en segunda instancia por el módulo de membrana encargado de llevar a cabo la separación física de la biomasa y el efluente. Distinguimos dos tipos principales de bioreactores de membrana en base a su disposición: 2.4.7.1 Bioreactores con membrana integrada o sumergida La unidad de membrana que realiza la separación física está inmersa en el tanque biológico, la fuerza impulsora a través de la membrana es alcanzada presurizando el bioreactor o creando presión negativa en el lado permeado de la membrana. Generalmente se instala un difusor de aire justo debajo del módulo de la membrana para suministrar el aire necesario para homogeneizar el contenido del tanque, para el proceso biológico y para la propia limpieza de la membrana. (Fundación Centro Canario del Agua, 2003)

Figura 2.10: Bioreactor con membrana sumergida

2.4.7.2 Bioreactores con membrana externa El licor de mezcla se hace recircular desde el biorreactor hasta la unidad de membrana que se dispone externamente y la fuerza impulsora que crea el gradiente de presión entre ambos lados de la membrana, esta presión es ocasionada por la alta velocidad del flujo de recirculación a través de la superficie de la membrana. (Revolorio, 2010)

22

Figura 2.11: Bioreactor con membrana externa

El funcionamiento de ambos tipos de diseño es importante dado que varían bastante las consideraciones de diseño y operación. En la siguiente tabla se comparan ambas alternativas: Tabla 2.3: Comparación entre ambos tipos de configuraciones de membranas.

Membrana sumergida

Membrana externa

Costes de aireación altos (90%)

Costes de aireación bajos

Costes de bombeo muy bajos

Costes de bombeo altos (60-80%)

Frecuencia de limpieza baja

Frecuencia de limpieza alta

Costes de operación menores

Costes de operación mayor

Inversión inicial mayor

Inversión inicial menor

Las diferencias operativas de ambos sistemas, como un menor coste de operación y también menores frecuencias de lavados, supeditado al aporte de la aireación en la limpieza de las membranas, dan cuenta que las razones económicas son las que justifican mayormente que se estén imponiendo los sistemas de membranas sumergidas. 2.4.8

Comparación técnica entre un Reactor de Lodos Activos (CAS) y un Bioreactor de

Membranas (MBR) El proceso de MBR es una tecnología que sustituye el sedimentador en el proceso de lodos activos convencional, de esta manera la separación de la fase sólido-líquido se realiza por filtración a través de las membranas, consiguiéndose un efluente tratado que reúne, generalmente los requisitos para reutilización.

23

Entre una de las ventajas que nos proporciona esta tecnología al contener dentro del sistema la totalidad de biomasa se encuentra el control perfecto de la edad de fango y la desinfección del efluente sin necesidad de requerir de un tipo de tratamiento terciario. (Revolorio, 2010)

Figura 2.12: Esquema comparativo de la alternativa de Lodos activados convencional (CAS) y Bioreactor de membranas (MBR)

2.4.9

Ventajas y desventajas de los MBR Entre las principales ventajas comparativas que presenta un Biorreactor de Membrana

respecto del proceso convencional de lodos activados podemos mencionar: 

Efluente de calidad

Una eficiente retención de sólidos y de compuestos solubles de elevado peso molecular proporciona un efluente potencialmente reutilizable y elimina la aplicación de un costoso tratamiento terciaria de desinfección. Asimismo, la membrana puede retener material soluble de elevado peso molecular, aumentando su tiempo de retención, mejorando así la oportunidad de su biodegradación en el reactor biológico. Además, la posibilidad de retención de virus y bacterias presentes en las aguas residuales, garantiza la desinfección del efluente, de aquí que se permita su reutilización en torres de refrigeración, limpiezas internas, descarga de sanitarios, incluso como agua de procesos con algún tratamiento adicional. (Alcarria Escribano, 2005) 

Reducción de la producción de lodos:

Las altas edades del fango frecuentemente utilizadas en los MBR explican la baja producción de fango. Esta reducción de fango con respecto a los procesos convencionales

24

deriva también en una disminución en los costes de tratamiento del fango. (Fundación Centro Canario del Agua, 2003) 

Compactación

Las membranas utilizadas en los MBR funcionan bajo mayores concentraciones de biomasa lo que posibilita la utilización de reactores de menor volumen para obtener un efluente de igual calidad. Además, hay un ahorro muy importante en espacio puesto que se elimina el decantador secundario y el tratamiento terciario para llegar a una misma calidad del agua tratada que en sistemas convencionales seguidos de un proceso terciario. (Alcarria Escribano, 2005) Con respecto a los inconvenientes, podemos señalar los siguientes: 

Fouling

La acumulación de partículas en las membranas es uno de los principales inconvenientes encontrados, tanto a nivel operacional como a nivel de costes. El fouling de la membranas produce una disminución en el flujo de filtrado, lo que conlleva que deban realizarse ciclos de limpieza para restaurarlo, aumentando los costes operacionales del sistema. (Arévalo Vilches, 2011) Este fenómeno se estudia en profundidad en apartados posteriores. 

Costes

El objetivo del estudio es analizar la limitación del carácter económico, pero a priori las membranas implican una inversión inicial importante. Además, para lograr las presiones requeridas en el sistema, estos tratamientos conllevan un gasto energético elevado en conjunto con los gastos de la limpieza de las membranas. 2.4.10 Operación de membranas Como se mencionó anteriormente, las membranas son barreras semipermeables selectivas, de manera de separar las fases sólido-liquida del flujo de alimentación. Desde el punto de vista de la dirección relativa del flujo de alimentación respecto al medio filtrante, la filtración puede ser: 

Filtración de flujo directo (dead-end): el flujo de alimentación atraviesa la membrana quedando las partículas sobre la superficie del medio.



Filtración de flujo cruzado (crossflow): se habla de flujo cruzado cuando la diferencia de presión ejercida hace que parte del flujo de la alimentación atraviese la membrana, y el resto de dicho flujo fluya tangencialmente a la superficie de ésta. (Alcarria Escribano, 2005)

25

Figura 2.13: Flujo de alimentación con respecto a la membrana a) Flujo directo b) Flujo tangencial

Estos dos tipos de filtración poseen limitaciones y ventajas. Entre las limitaciones del flujo directo se puede mencionar que al ser perpendicular a la membrana, provoca que ésta se tape con mayor rapidez que en el caso de la filtración tangencial, esto ocasionará que la membrana deba ser limpiada con mayor frecuencia. En el caso del flujo tangencial, este provoca una auto limpieza en la superficie de la membrana, disminuyendo la frecuencia y los costes de limpieza. Por este motivo la mayoría de los MBR se realizan con este tipo de filtración. (Revolorio, 2010) 2.4.10.1

Balance de masa

El flujo es la cantidad de agua que pasa a través de una unidad de are de la membrana por unidad de tiempo, también es llamado velocidad de permeado y en SI se mide en [

𝑚3 𝑚2 ∙𝑠

].

En la operación de membrana coexisten tres tipos de corrientes: la alimentación, las partículas retenidas y el permeado, tal como lo indica la Figura 2.14:

Figura 2.14: Diagramas de corrientes en la membrana.

𝑄 ∙ 𝐶 = 𝑄𝑝 ∙ 𝐶𝑝 + 𝑄𝑟𝑒𝑡 ∙ 𝐶𝑟𝑒𝑡

Ecuación 2.20

Dónde:

26

m3

Q:

Caudal de alimentación [

C:

Concentración de alimentación [

Qp:

Caudal de permeado [

Cp:

Concentración de permeado [

Qret:

Caudal retenido [

Cret:

Concentración de retenido [

m3 s

s

]

s

]

] Kg

m3

m3

Kg m3

]

] Kg

m3

]

A partir de esta ecuación, se determinan dos porcentajes que permiten conocer la capacidad de filtración de la membrana, estos son: Porcentaje de conversión (Yc): es la cantidad de agua de alimentación que es recuperada como permeado. Yc = 100 ∙

Qp Q

Ecuación 2.21

Porcentaje de rechazo (R): según el tamaño del poro, la membrana realiza un barrido selectivo, donde permite pasar a algunas sustancias, mientras rechaza otras: R = 100 ∙

2.4.10.2

1−Cp C

Ecuación 2.22

Presión de filtración

La fuerza empleada para filtrar el agua a través de las membranas, es en el caso de los MBR un gradiente de presión conocido como presión transmembrana, que se define como la presión necesaria para hacer pasar el agua a través de la membrana. En un flujo tangencial la presión transmembrana se determina: PTM =

Pi +Ps 2

− Pp

Ecuación 2.23

Siendo: Pi:

Presión a la entrada del módulo de membrana [bar]

Ps:

Presión a la salida del módulo de membrana [bar]

Pp:

Presión de permeado [bar]

PTM:

Presión transmembrana [bar]

27

Dado que el flujo y la fuerza conductora están interrelacionados, puede fijarse cada uno de ellos según los objetivos del diseño, tal como se representa en la siguiente figura:

Figura 2.15: a) Operación con PTM constante b) Operación con flujo constante (Fane, 2002)

Trabajando a PTM constante, la deposición de partículas en la membrana causa una disminución gradual del flujo, pero trabajando a flujo constante, los efectos de la deposición incrementan la PTM, ya que se debe ejercer una presión mayor para que a través de la membrana pueda pasar la cantidad de agua fijada, esta PTM es inicialmente gradual, pero se acelera cuando la membrana necesita ser limpiada. En los biorreactores de membranas lo más común es fijar el valor del flujo y luego determinar el valor apropiado de la presión transmembrana, es decir, el modo de flujo constante es el preferido en los biorreactores de membrana porque asegura un rendimiento constante y un mejor control en el proceso. (Fane, 2002) Además, se definen condiciones de operación subcríticas y supracríticas, siendo las condiciones subcríticas por debajo del valor del flujo crítico, dónde la PTM se estabiliza rápidamente después de cada aumento de flujo, y el valor estable de PTM aumenta linealmente con el flujo impuesto, donde podría evitarse el fouling de las membranas. En las condiciones supracríticas, es decir por encima del valor del flujo crítico, la relación lineal no aparece debido a la deposición, así el flujo crítico también podría definirse como el flujo más alto al cual la PTM permanece estable. Condiciones representadas en la posterior figura: (Ognier, 2002)

28

Figura 2.16: Variación de la PTM en función del flujo de permeado (Ognier, 2002)

2.4.11 Ensuciamiento de la membrana (Fouling) Fouling es el término dado a la disminución de la capacidad de filtración en la membrana debido a la gran cantidad de especies presentes en el agua residual. Esto ocurre por la adsorción (deposición) o intrusión de estas partículas en los poros de la membrana, esta presencia de sustancias disueltas puede causar una acumulación de solutos en el lado del retenido de la membrana, reduciendo el diámetro de paso de ellas mismas y el agua a través de la membrana (Alcarria Escribano, 2005). Desde el punto de vista de la composición, el ensuciamiento puede clasificarse en tres categorías: Ensuciamiento biológico: se refiere al depósito, crecimiento y metabolismo de bacterias y/o flóculos en las membranas, en los procesos de microfiltración y ultrafiltración, el bioensuciamiento es el principal problema, ya que los flóculos son mucho mayores que el tamaño de poro de la membrana. Ensuciamiento orgánico: se refiere al depósito de biopolímeros (principalmente proteínas y polisacáridos) en las membranas, debido a sus pequeños tamaños, se pueden depositar fácilmente en el interior de las membranas, siendo más difícil de limpiar que el bioensuciamiento. Ensuciamiento inorgánico: corresponde al ensuciamiento causado por compuestos inorgánicos presentes en los sistemas de tratamiento de aguas, y pueden precipitar si superan el valor de saturación, algo que puede ocurrir en casos en que la polarización de membranas se alta (generalmente en procesos de osmosis inversa).

29

Figura 2.17: Distribución de la torta de ensuciamiento, tanto como ensuciamiento biológico y orgánico.

Los mecanismos teóricos que contribuyen a la resistencia total a la filtración son: Resistencia de la membrana (Rm): debida a la propia membrana limpia cuando se filtra agua desmineralizada. Bioensuciamiento (Rn): resistencia causada por sustancias o partículas atascadas y adsorbidas en las paredes del poro de tal forma de bloquear y estrechar el canal del poro. Resistencia de la torta (Rt): resistencia causada por el material particulado acumulado en la cara externa de la membrana durante la filtración. Cuando la membrana está limpia, sólo retiene partículas con un tamaño superior al del poro, a medida que pasa el tiempo, el grosor y la densidad de la torta aumenta, reteniendo partículas cada vez más pequeñas (Abellan, 2013) Polarización de concentración (Pc): la retención de solutos por una membrana puede provocar una diferencia de presión osmótica sobre la membrana, esto causa un transporte convectivo del solvente del lado del permeado a la alimentación, requiriéndose una presión transmembrana más alta para mantener el flujo de permeado. Este concepto es importante en aplicaciones de osmosis inversa; sin embargo, en procesos de microfiltración y ultrafiltración se suele considerar que la polarización de concentración no tiene un efecto significativo en el ensuciamiento de la membrana. Evidentemente,

los

mecanismos

de

ensuciamiento

explicados

ocurren

simultáneamente, de acuerdo al modelo de resistencias en serie, se puede expresar la resistencia total de la membrana como la suma de las resistencias individuales.

30

Figura 2.18: Mecanismos de resistencias en bioreactores de membranas.

A su vez, el ensuciamiento en un bioreactor de membrana puede ser subdividido en reversible, irreversible e irrecuperable. El ensuciamiento reversible se define como el ensuciamiento que puede ser eliminado a través de una limpieza física, mientras que el irreversible se refiere a aquel ensuciamiento que requiere de una limpieza química para su eliminación. Además, se define el ensuciamiento irrecuperable como aquel que no se puede eliminar con ningún método de limpieza, lo que implica que define la vida útil de la membrana.

31

Figura 2.19: Esquema que representa los ciclos de ensuciamiento con su correspondiente limpieza.

Durante la filtración, el aumento de la presión transmembrana es debido principalmente a la formación de la torta, tras un corto periodo de operación, la torta puede ser eliminada mediante una limpieza física, pero a largo plazo la limpieza mecánica no es capaz de recuperar la presión transmembrana inicial, por lo que va aumentando tras cada ciclo de filtración y limpieza. Tras la limpieza física, en el momento que la presión transmembrana supera un valor umbral, se hace necesaria una limpieza química. Sin embargo, la limpieza química tampoco evita el aumento gradual de la presión transmembrana a lo largo de un periodo de años, implicando una evidente consecuencia denominada ensuciamiento irrecuperable, definiendo de esta manera la vida útil de la membrana. En el siguiente gráfico se representa la evolución de la presión transmembrana a través del tiempo, indicando los tipos de ensuciamiento (Abellan, 2013).

32

Figura 2.20: Evolución de la presión transmembrana en un MBR que opera a flujo constante (Abellan, 2013)

2.4.11.1

Modelo de resistencias en serie

Se han desarrollado modelos matemáticos para describir el fenómeno del fouling, siendo el modelo de las resistencias en serie que ofrece un modo sencillo para describir la relación caudal de filtrado – presión transmembrana en todo el rango de presiones (Alcarria Escribano, 2005). Según este modelo, la dependencia de filtrado con la presión transmembrana aplicada se expresa con la siguiente ecuación: 𝐽=

∆𝑃 𝜇∙𝑅𝑇

𝑅𝑇 = 𝑅𝑚 + 𝑅𝑛 + 𝑅𝑡 𝑚3

J:

Flujo de filtrado [

µ:

Viscosidad de filtrado [𝑃𝑎 ∙ 𝑠]

P:

Presión de operación [𝑃𝑎]

R m:

Resistencia hidráulica [ ]

Rn:

Bioensuciamiento [ ]

Rt:

Resistencia debida a la capa de torta [ ]

𝑚2 ∙𝑠

Ecuación 2.24 Ecuación 2.25

]

1

𝑚

1

𝑚

1

𝑚

33

Para efectos de diseño se define el flujo de filtrado dividido en el área total de membranas (Water Environment Federation, 2006), entonces: 𝐽=

𝑄𝑝 𝐴𝑠𝑖𝑠

Ecuación 2.26

Dónde: Asis

Área total del sistema de membrana [𝑚2 ]

2.4.11.2

Control del ensuciamiento

El ensuciamiento puede ser reducido de las siguientes maneras: a) Por un pretratamiento que nos permita la eliminación de las partículas causantes del ensuciamiento. b) Provocar turbulencia en la membrana. c) Reducir el flujo. Estas tres opciones generan un coste adicional en la inversión y operación en la implementación de la planta de tratamiento. Mientras la opción a) provoca un aumento en el costo de inversión, promoviendo la incorporación de tamices finos, para evitar el ensuciamiento a las membranas, las opciones siguientes inciden en un aumento en los costos de operación. La generación de turbulencia mediante el sistema de aireación es la forma más apropiada para un MBR, debido a que incentiva la limpieza física de las membranas, además la reducción de flujo es otra técnica utilizado en los MBR principalmente sumergidos, ya que reducen el flujo que conlleva operar con PTM inferiores, lo cual provoca un menor ensuciamiento de las membranas. (Alcarria Escribano, 2005) 2.4.11.3

Factores que afectan el ensuciamiento

Se pueden distinguir tres factores principales que afectan el ensuciamiento de las membranas, estos corresponden: 

Características de la membrana

La configuración de la membrana juega un rol importante en el comportamiento del ensuciamiento, es por esto que para el control del ensuciamiento las configuraciones recomendadas son las de placa plana y fibra hueva, presentando un mayor control sobre la presión transmembrana. Entre otras características están el tipo de material, es decir, la hidrofobicidad, porosidad y tamaño del poro que presenten. (Revolorio, 2010)

34



La biomasa

El licor mixto presente en el bioreactor es una mezcla compleja de microorganismos procedentes de la degradación de los sólidos en suspensión del agua y de las células de las reacciones biológicas que tienen lugar en el estanque, esta materia tanto disuelta como suspendida contribuye al ensuciamiento de la membrana. Al fraccionarse los flóculos quedan expuestas las sustancias poliméricas extracelulares (EPS) presentes en la estructura del floculo que contribuyen a la formación de ensuciamiento. Algunos autores han identificado a la EPS como uno de los factores más importantes en el ensuciamiento (Revolorio, 2010) 

Condiciones de operación

La velocidad de flujo tangencial es uno de los factores operacionales con mayor efecto sobre el ensuciamiento, debido a que influye en el transporte de masa de las partículas. En los MBR con membrana sumergida, la velocidad de flujo tangencial es creada por un sistema de aireación situado por debajo del módulo de membranas, suministrando de esta forma no sólo el oxígeno necesario para la biomasa, sino que también promoviendo la limpieza física, disminuyendo el grosor de la torta.

35

CAPITULO III

3.1

DESARROLLO PRÁCTICO

Introducción En el presente capítulo, se trabaja en primer lugar sobre el proyecto que involucra la

tecnología en estudio, que se refiere a la incorporación de los módulos de membranas en el tratamiento de aguas residuales, en la cual se presenta el motivo de la elección del módulo de membrana, que corresponde a los módulos de placa plana. Esto proviene de un pionero en este rubro, la compañía de Kubota. En segundo lugar, se presenta un estudio comparativo, involucrando de esta forma el dimensionamiento de la tecnología de bioreactores de membrana y lodos activados convencional, para de esta manera abordar el compromiso técnico-económico de ambos tratamientos. 3.2

Proyecto Embotelladora A modo general, cabe señalar que el proyecto corresponde a una modificación a una

planta de tratamiento de aguas residuales, cuyo residuo a tratar

corresponde a aguas de

lavado de botellas, en la línea de proceso de producción de bebidas gaseosas. En definitiva, abordaremos la problemática existente, que da origen a la concepción del proyecto, proponiendo de esta forma las modificaciones que se realizarán, incorporando la tecnología de membranas para dar una solución al presente problema que describiremos posteriormente. 3.2.1

Problemática La problemática actual de la planta deriva en un aumento productivo considerable, 3

proyectando afluentes del orden de 400 m /d, lo que implica un aumento de caudal a tratar en la depuración de aguas. Por lo tanto, la planta exige una ampliación en su capacidad de tratamiento de sus residuos líquidos. Cabe destacar, que actualmente la planta cuenta con un tratamiento convencional de lodos activados, el cual por lo anteriormente señalado se encuentra sobrepasado por la creciente producción proyectada por la Embotelladora. Además, la planta actual tiene limitaciones geográficas en cuanto a espacio, por lo que es preponderante encontrar una tecnología compacta, que no requiera de grandes áreas de trabajo. Es por esto que el proyecto trata la opción de la tecnología de lodos activados tipo MBR, cuya tecnología se adapta de manera eficaz a las necesidades del cliente. Debido a esto, la idea principal del proyecto es poner en la práctica los conocimientos técnicos abordados en

36

los capítulos anteriores, aprovechando las ventajas que la tecnología de MBR otorga al tratamiento de aguas residuales. 3.2.2

Planta existente Actualmente, la planta consta con un sistema convencional de lodos activados,

conformado en áreas de procesos, en primer lugar un pretratamiento (área 100), que comprende la planta elevadora de Ril, mediante bombas sumergibles, para luego retirar los gruesos mediante un filtro parabólico, posteriormente ingresar al estanque ecualizador, cuya función es disminuir las puntas de caudal, de esta manera entregar un afluente determinado y finalmente se requiere neutralizar el residuo, acidificando mediante anhídrido carbónico. Luego se incorpora al área de tratamiento biológico (área 200), con un reactor biológico seguido de una separación física mediante un sedimentador, que separa

el efluente y la biomasa,

traducido en los denominados clarificado y los lodos, respectivamente. En tercer lugar, se representa el área de tratamiento de lodos (área 300), cuyos procesos involucrados son el espesamiento y secado del lodo purgado del sistema. Finalmente, la planta consta paralelamente con un acumulador (área 400), que tal cual su nombre lo indica tiene la función de almacenar Ril, cuya área es fundamental debido a que es en este sector donde se fundamenta el proyecto expuesto posteriormente. Luego, se indica el proceso mediante un diagrama de bloques y de proceso, con las áreas previamente explicadas.

Figura 3.1: Diagrama de Bloques planta existente.

37

Figura 3.2: Diagrama de Proceso de planta existente

38

Figura 3.3: Línea existente de tratamiento de lodos convencional a) Se observa filtro parabólico y ecualizador b) Se observa el bioreactor

3.2.3

Caracterización del Residuo Industrial Líquido La caracterización del Residuo Industrial Líquido (Ril) es fundamental en el diseño de

cualquier proyecto, es decir, las características físicas y químicas del residuo a tratar es preponderante en las modificaciones a realizar. La planta de Embotellados, tiene como misión la producción, comercialización y distribución de bebidas, provocando de esta manera residuos provenientes del proceso productivo, los cuales son las aguas de lavado, compuestos de bebida sobrenadantes, aguas en instalaciones y equipos.. Siendo la actividad que genera mayores residuos líquidos el agua de lavado de envases en el proceso de elaboración de productos retornables, cuya agua presenta niveles de pH básicos, debidos a los detergentes manipulados y una baja dureza debido a las permanentes filtraciones operadas. También el agua presenta un elevado contenido orgánico, debido principalmente a que en las etapas de trasiego de azúcar a los estanques mezcladores, se obtienen remanentes y descarte, que van directo al alcantarillado, como también los derrames por control de llenado y ambientación de las máquinas. La cantidad de sólidos suspendidos se deben principalmente a las operaciones de filtrado y lavado de los mismos que se realizan en el proceso, ya sean filtros de arena y de carbón activado. (Nuñez, 2009)

39

A continuación se presenta la base de diseño del proyecto: Tabla 3.1: Caracterización del RIL

Bases Caudal medio diario Temperatura de RIL pH Carga Aceites y Grasas Carga DBO5 Carga SST Carga NTK Carga N-NH3 Carga P Total

Unidad m3 [ ] d °C mg [ ] L mg [ ] L mg [ ] L mg [ ] L mg [ ] L mg [ ] L

Valor 400 20 12 10 1250 637 5 4 2,5

Se tiene por objetivo cumplir con la normativa vigente, pero además poder hacer reuso del agua tratada. Las políticas internas de la planta establecen que las características del efluente son: Tabla 3.2: Calidad de efluente requerida

Calidad de efluente DBO5 NTK N-NH3 N - Total SST PT AyG Coliformes Fecales pH

Unidad 𝑚𝑔 [ ] 𝐿 𝑚𝑔 [ ] 𝐿 𝑚𝑔 [ ] 𝐿 𝑚𝑔 [ ] 𝐿 𝑚𝑔 [ ] 𝐿 𝑚𝑔 [ ] 𝐿 𝑚𝑔 [ ] 𝐿 𝑁𝑀𝑃 [ ] 100 𝑚𝐿

Límite Máx.

-

6,0-8,5