miniaturadeimagen|Esquema del proceso convencional de fangos activados (arriba) y del biorreactor de membrana externa (corriente lateral) (abajo).|300x300px Un biorreactor de membrana es la combinación de un sistema de tratamiento biológico convencional y una separación física líquido-sólido mediante filtración por membrana. Este híbrido proporciona un nivel avanzado de eliminación de sólidos suspendidos y orgánicos, e incluso elimina nutrientes en algunos casos.

Este tipo de planta de tratamiento de aguas residuales (especialmente las pequeñas plantas de tratamiento de aguas residuales) que puede aumentar significativamente su eficiencia con la ayuda de membranas con poros de entre 0,1 y 0,01 µm de tamaño (ultrafiltración).S. Judd, The MBR book (2006) Principles and applications of membrane bioreactors in water and wastewater treatment, Elsevier, Oxford El sistema suele funcionar mediante filtración de flujo tangencial.miniaturadeimagen|300x300px|Esquema de un biorreactor de membranLas membranas pueden utilizarse en forma de fibras huecas, como módulos enrollados o de placas. Se distingue entre sistemas aireados y no aireados. El sistema de biorreactor de membrana se utiliza a menudo para conseguir un tratamiento secundario de las aguas residuales domésticas o municipales. Para ello, el sistema también puede utilizarse en etapas de tratamiento biológico ya existentes. A menudo, sin embargo, se desea una disposición externa, que permite un mantenimiento más fácil gracias a un mejor acceso a la planta.

Contexto Histórico La tecnología de biorreactores de membrana surgió a finales de los años 60 como un proceso de tratamiento de aguas residuales. Permitió innovar en este campo ya que implicó: una reducción de los requerimientos de espacio para los decantadores secundarios, una mejora relacionada con los problemas de separación líquido-sólido, una reducción del exceso de lodos producidos y también solucionó algunos problemas de limitación en lo que concierne a la extracción de recalcitrantes, convirtiéndose así en una tecnología de elección sobre el proceso de lodos activados, que ha sido el tratamiento convencional de aguas residuales municipales durante el último siglo.

Esta tecnología apareció por primera vez tan pronto como las membranas de ultrafiltración y microfiltración estuvieron disponibles a escala comercial. Dorr-Oliver Incorporated fue la empresa que introdujo por primera vez este proceso, mediante la combinación de un biorreactor de lodos activados y un circuito de filtración de membrana de flujo cruzado, mediante el uso de membranas poliméricas de lámina plana.

Posteriormente, en 1984, el profesor Kazuo Yamamoto propuso la idea de sumergir las membranas en el biorreactor. Hasta ese momento, el módulo de membranas era un dispositivo externo ubicado fuera del biorreactor.

Desde mediados de los años 90, se han implementado mejoras adicionales en el diseño y la operación del BRM, como, por ejemplo, la aplicación de tiempos de retención de sólidos más bajos, lo que da como resultado niveles de concentración de sólidos suspendidos más convenientes. Esto también ha contribuido a la disminución de la transferencia de oxígeno y los costes de bombeo, lo que ayuda a simplificar el mantenimiento general del sistema.

Parámetros operacionales El diseño óptimo de un biorreactor de membrana se basa en un tratamiento eficaz con el menor coste global posible. A continuación, se enumeran los parámetros más importantes necesario para diseñar un sistema BRM. Por supuesto, pueden ser necesarios otros parámetros, dependiendo de la aplicación específica.

Pretratamiento

En primer lugar, es necesario un correcto pretratamiento de los efluentes para evitar la presencia de materiales fibrosos, sólidos no deseados, partículas grandes, aceites, grasas, compuestos tóxicos… De este modo se protege la membrana y se prolonga su vida útil, se reducen los costes y se garantiza el desarrollo de un lodo activado sana, así como un funcionamiento sin problemas.

Reactor biológico

- La relación F/M (relación alimento-microorganismo) (g DBO/g SSVLM/día), es uno de los principales parámetros de diseño y control en el proceso de tratamiento biológico de aguas residuales. Es la relación entre la cantidad de carga de lodos y la biomasa activa presente en el tanque de aireación. Es muy importante para garantizar que haya suficientes microorganismos para eliminar los orgánicos entrantes de las aguas residuales.

- Los sólidos en suspensión en el licor mixto (SSLM) (g/L), se refiere a la concentración total de sólidos en suspensión en el biorreactor. Mientras que los sólidos en suspensión volátiles (SSVLM) indican la materia orgánica activa en el tanque de aireación, normalmente, los SSLM poseen un 70-80% de SSVLM. Este parámetro afecta la actividad biológico en el reactor y la tasa de ensuciamiento (fouling) de la membrana.

- El tiempo de retención de sólidos (TRS - días), es decir, el tiempo de permanencia del fango en el tanque de aeración. El tiempo de retención hidráulica (TRH - horas) se refiere al tiempo de permanencia del líquido residual en el tanque de aireación. En el sistema BRM, ambos tiempos son independientes entre sí. Para un proceso óptimo, son deseables TRC largos porque se producen más microorganismos de crecimiento más lento y se generan menos lodos. Esto se consigue gracias a la retención completa de sólidos en suspensión por la membrana.

- El nivel de oxígeno disuelto (OD - mg/L) es un sustrato clave para las actividades de crecimiento y producción de los microorganismos en procesos aerobios, y, por lo tanto, el control del proceso de aeración es crucial para un funcionamiento óptimo.

- La Temperatura es un parámetro que indica la actividad de los microorganismos, generalmente como mayor es mejor es la actividad, sin embargo, existe una temperatura límite a partir de la cual la tasa de crecimiento empieza a disminuir dependiendo del tipo de microorganismos y de la estación del año.

- El PH; la mayoría de los microorganismos prefieren condiciones ligeramente alcalinas con pH entre 6.5 y 8.5; si el pH se encuentra fuera de este intervalo la eficiencia del proceso se verá afectada.

Unidad de membrana

A partir de los datos de diseño del reactor biológica y del agua residual a tratar se dimensiona la unidad de filtración por membrana de modo que se produzca suficiente permeado para satisfacer los requisitos de capacidad.

- El flujo (LMH) es la relación entre el flujo y la superficie de la membrana. Debe mantenerse lo más alto posible, pero está limitado por los factores de ensuciamiento y los costes. La presión de transmembrana (PTM - bar), es decir, la fuerza motriz necesaria para atravesar la membrana. Ambos parámetros son importantes para controlar el ensuciamiento de la membrana, ya que, a flujos constantes, el ensuciamiento se reconoce por un aumento de la presión transmembrana, y en caso de que la presión transmembrana permanezca constante, el ensuciamiento se reconoce por una reducción del flujo.

- La permeabilidad (LMH/bar) es la relación entre el flujo y la presión transmembrana. Se ve afectada por la temperatura, ya que, a temperaturas más bajas, la viscosidad del agua es mayor y, por lo tanto, es más difícil hacerla pasar a través de la membrana, es decir, menor permeabilidad.

- El ensuciamiento de la membrana determina la frecuencia de limpieza de esta. El ensuciamiento se produce como consecuencias de las interacciones entre la membrana y el licor mezclado. El ensuciamiento es el proceso por el cual las partículas se depositan o adsorben en las superficies o los poros de la membrana y pueden provocar graves caídas del flujo y afectar la calidad del agua. Existen diferentes estrategias para evitar los problemas de incrustación a las aplicaciones BRM. Una solución es realizar un lavado a contracorriente de la membrana invirtiendo el flujo de agua permeada que se bombea de nuevo a la membran y la atraviesa para desalojar las incrustaciones. Otra solución es utilizar aireadores de burbujas gruesas que limpian la superficie de la membrana y evitan que los lodos la obstruyan. Finalmente, también existen técnicas de limpieza química.

Configuraciones

Interna/sumergida/inmersa En la configuración de biorreactor de membrana sumergida (BRM), el elemento de filtración se instala en el recipiente principal del biorreactor o en un tanque separado. Los módulos se colocan encima del sistema de aireación, cumpliendo dos funciones, el suministro de oxígeno y la limpieza de las membranas. Las membranas pueden ser planas o tubulares, o una combinación de ambas, y pueden incorporar un sistema de retrolavado en línea que reduce el ensuciamiento de la superficie de la membrana mediante el bombeo del permeado de la membrana a través de la misma. vínculo=https://en.wikipedia.org/wiki/File:ZeeWeed_500_ultrafiltration_module_at_a_NEWater_plant.jpg|miniaturadeimagen|Un casete de membrana de fibra hueca reforzada sumergida En los sistemas en los que las membranas se encuentran en un tanque separado del biorreactor, se pueden aislar trenes individuales de membranas para llevar a cabo regímenes de limpieza que incorporen remojos de membrana; sin embargo, la biomasa debe bombearse continuamente de vuelta al reactor principal para limitar el aumento de la concentración de sólidos suspendidos. También se requiere aireación adicional para reducir el ensuciamiento. Cuando las membranas están instaladas en el reactor principal, los módulos de membrana se extraen del recipiente y se transfieren a un tanque de limpieza fuera de línea.

Por lo general, la configuración interna/sumergida se utiliza para aplicaciones de menor potencia a mayor escala. Para optimizar el volumen del reactor y minimizar la producción de fangos, los sistemas BRM sumergidos suelen funcionar con concentraciones de sólidos suspendidos comprendidas entre 12000 mg/L y 20000 mg/L, por lo que ofrecen una buena flexibilidad en la selección del tiempo de retención de fangos de diseño.

El BRM sumergido ha sido la configuración preferida debido a su bajo nivel de consumo de energía, alta eficiencia de biodegradación y baja tasa de ensuciamiento en comparación con los biorreactores de membrana de flujo lateral. Además, los sistemas BRMi pueden manejar mayores concentraciones de sólidos suspendidos, mientras que los sistemas tradicionales trabajan con una concentración de sólidos entre 2,5-3,5, los BRM pueden manejar una concentración entre 4-12 g/L, lo que supone un incremento del 300%. Este tipo de configuración se adopta en sectores industriales como el textil, la alimentación y las bebidas, el petróleo y el gas, la minería, la generación de energía, la pasta y el papel, debido a sus ventajas

Corriente externa/lateral En la tecnología BRM lateral, los módulos de filtración están fuera del tanque aeróbico, de ahí el nombre de configuración de corriente lateral. Al igual que en la configuración BRM interna, el sistema de aireación también se utiliza para limpiar y suministrar oxígeno a las bacterias que degradan los compuestos orgánicos. La biomasa se bombea directamente a través de varios módulos de membrana en serie y de vuelta al biorreactor, o bien se bombea a un banco de módulos, desde donde una segunda bomba hace circular la biomasa a través de los módulos en serie. La limpieza y el remojo de las membranas pueden realizarse in situ con el uso de un tanque de limpieza, una bomba y tuberías instalados. La calidad del producto final es tal que puede reutilizarse en aplicaciones de proceso gracias a la capacidad de filtración de las membranas de microfiltración y ultrafiltración.