Por: Kate
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Fecha: 4 de diciembre de 2024
1. Descripción general del proceso MBR
MBR (biorreactor de membrana)es una tecnología de tratamiento biológico de membrana utilizada en el tratamiento de agua. Es un sistema que combina tecnología de separación por membranas y tecnología de tratamiento biológico de aguas residuales. Es reconocida como una de las tecnologías de recuperación de recursos y tratamiento de aguas residuales más avanzadas y eficientes del mundo actual.
La tecnología MBR utiliza la función de separación de las membranas, reemplazando los tanques de sedimentación secundaria, los filtros de arena, las unidades de desinfección y otros componentes de los procesos tradicionales de lodos activados por dispositivos de separación de membranas. Utiliza membranas de microfiltración/ultrafiltración (MF/UF) para filtrar directamente el efluente del tanque de aireación. Los sólidos suspendidos en la mezcla de lodos activados se retienen completamente y se recirculan de regreso al reactor. Como resultado, se puede prolongar la edad de los lodos, aumentar la concentración de lodos y reducir la carga de lodos. Esto acelera la degradación microbiana de los contaminantes, mejora significativamente la eficiencia del tratamiento de aguas residuales y garantiza que la calidad del efluente no sólo sea estable y confiable, sino que también cumpla con los estándares de alta calidad del agua recuperada. Es especialmente adecuado para mejorar las plantas de tratamiento de aguas residuales en China para cumplir con los nuevos estándares de descarga establecidos en 2011, así como para la reutilización de aguas residuales industriales.
Microfiltración/Ultrafiltración (MF/UF)Las membranas tienen tamaños de poro y rangos de corte de peso molecular. Generalmente, el tamaño de poro de las membranas de ultrafiltración está entre 0.01 a 0,1 μm, con un rango de corte de peso molecular (MWCO) de 5,000 a 500,{{ 9}} Dalton. El MWCO nominal de las membranas de microfiltración que se utilizan normalmente en el tratamiento de aguas residuales oscila entre 30,000 y 800,000 Dalton.
2. Ventajas de las membranas MBR
MBR ofrece ventajas significativas que otros procesos biológicos independientes no pueden igualar:
1.Calidad de efluente excelente y estable
Esto se manifiesta en la alta eficiencia de la separación sólido-líquido. Los sólidos suspendidos del efluente casi siempre se pueden mantener cerca de cero y no se ven afectados fácilmente por factores como la descomposición o el aumento de volumen de los lodos en el corto plazo.
2.Diseño de reactor compacto
El reactor es más compacto porque puede funcionar normalmente con altas concentraciones de lodo, lo que da como resultado una alta eficiencia de eliminación de materia orgánica y al mismo tiempo ahorra espacio. No es necesario un sistema de tanque de sedimentación secundario.
3.Favorable para el cultivo de bacterias nitrificantes aeróbicas
El sistema potencia la capacidad de nitrificación de la zona aeróbica. Esto se refleja en la alta eficiencia de la eliminación del nitrógeno amoniacal, que permanece estable durante un largo período.
4.Separación completa del tiempo de retención hidráulica y del tiempo de retención de lodos
La separación completa del tiempo de retención hidráulica (HRT) y el tiempo de retención de lodos (SRT) del reactor permite un control de operación más flexible.
5.Alta concentración microbiana y fuerte resistencia a la carga de impacto
La concentración microbiana en el reactor es alta y tiene una fuerte resistencia a las cargas de choque. Con una larga edad del lodo, la separación por membrana garantiza que las moléculas grandes y difíciles de degradar en las aguas residuales tengan suficiente tiempo de retención dentro del volumen del reactor biológicamente limitado. Esto mejora enormemente la eficiencia de degradación de la materia orgánica recalcitrante. El reactor opera bajo cargas volumétricas elevadas, cargas bajas de lodos y edades de lodos prolongadas, lo que ayuda a reducir eficazmente la descarga de lodos.
3. Tendencias de desarrollo futuro de las membranas MBR
1.El importante papel de la tecnología MBR en el tratamiento de aguas residuales
En los últimos años, la experiencia ha demostrado que la tecnología MBR está madura y que es posible lograr un diseño y funcionamiento exitosos. Puede utilizarse para el tratamiento tanto de aguas residuales municipales como de aguas residuales industriales. Por lo tanto, a medida que la tecnología MBR continúa desarrollándose y madurando, se espera que se aplique ampliamente a nivel mundial como una tecnología práctica y económicamente eficiente.
2.Perspectivas para la solicitud de MBR
La aplicación principal de la MBR debería ser el tratamiento de aguas residuales municipales, especialmente porque las ciudades requieren pequeñas áreas de terreno para el tratamiento de aguas residuales. Los efluentes de alta calidad pueden reutilizarse o servir como pretratamiento para nanofiltración y ósmosis inversa, y deben cumplirse estrictas normas de descarga.
La tecnología MBR también es eficaz en el tratamiento de aguas residuales industriales, como aguas residuales de procesamiento de alimentos, aguas residuales de mataderos y lixiviados de vertederos. Ha demostrado una excelente eficiencia de eliminación de sustancias alteradoras endocrinas (EDS) en lixiviados de vertederos y puede eliminar nitratos en agua potable (con una tasa de eliminación de hasta el 98,5%).
3.Control de incrustaciones de membranas
Se necesitan más investigaciones sobre los mecanismos del ensuciamiento de las membranas, en particular el estudio del ensuciamiento biológico. Membrana más eficaz, controlable y minimizada. Se deben desarrollar soluciones contra las incrustaciones. Debería explorarse a fondo el uso de tecnología informática y de sensores para el control en línea de la contaminación de las membranas. Al mejorar los métodos de limpieza, se debe prestar especial atención al uso de productos químicos seguros.
4.Selección de la estructura y los materiales de la membrana según el tipo de aguas residuales
La estructura y los materiales de la membrana deben seleccionarse correctamente según el tipo de agua residual. Se deben adoptar nuevos materiales de membrana y conjuntos de módulos de alto rendimiento y eficiencia energética. Debería promoverse la integración de sistemas MBR aeróbicos y anaeróbicos. Además, se deben utilizar plenamente los modelos matemáticos y la tecnología informática para optimizar los parámetros operativos y lograr una mejor calidad del efluente, haciendo que el proceso sea más económico y eficiente.
4. Principio de funcionamiento de las membranas MBR
En aplicaciones prácticas de ingeniería, el proceso MBR (biorreactor de membrana) sumergido se utiliza más comúnmente y la experiencia de la industria con este tipo de sistema es relativamente madura. Por tanto, utilizaremos este tipo de MBR como ejemplo de análisis. El principio general es el siguiente:
El agua cruda ingresa al biorreactor, donde la materia orgánica se oxida y descompone mediante el lodo activado mixto de alta concentración. Debajo del módulo de membrana hay un sistema de aireación que no solo proporciona suficiente oxígeno disuelto (OD) para los microorganismos en el licor mezclado, sino que también promueve una mezcla completa. La agitación causada por las burbujas, junto con el flujo de circulación formado en la superficie de la membrana, tiene un efecto de fregado y cizallamiento en la superficie de la membrana, evitando eficazmente la deposición irreversible de contaminantes en la superficie de la membrana en condiciones no artificiales. Luego, el agua tratada se extrae a través de una bomba autocebante y se separa por la membrana, pasando la fase líquida a través de la membrana y siendo descargada del sistema.
Normalmente, el proceso MBR tiene varios parámetros operativos clave, incluido el flujo de membrana, el coeficiente de permeabilidad, la tasa de retención y la polarización de la concentración.
1.Flujo de membrana
El flujo de membrana (J) se refiere a la cantidad de material que pasa a través de una unidad de área de la membrana por unidad de tiempo. Normalmente se expresa en unidades SI como [m³/(m²·s)] o se simplifica a m/s. En los cálculos prácticos de ingeniería, a menudo se utilizan unidades ajenas al SI para medir el flujo, como LMH (litros por metro cuadrado por hora), con unidades de [L/(m²·h)]. Una membrana MBR típica que satisface los requisitos generales de tratamiento de aguas residuales tiene un LMH de al menos 10 L/(m²·h).
Los factores que influyen en el flujo de la membrana incluyen la fuerza impulsora para la transferencia de masa, la resistencia de la membrana, la condición de flujo de la solución de alimentación en el lado de la membrana (equivalente a la resistencia de la capa límite) y el grado de suciedad de la membrana.
2.Coeficiente de permeabilidad
El coeficiente de permeabilidad (Lp) de una membrana representa la cantidad de material que pasa a través de la membrana por unidad de tiempo y unidad de área bajo una unidad de presión. Se expresa simplemente como el flujo de membrana en condiciones de presión unitaria. El coeficiente de permeabilidad es uno de los principales parámetros para evaluar el rendimiento actual de la membrana.
3.Tasa de retención
En el proceso de separación por membrana, el líquido que pasa a través de la membrana se llama permeado y el líquido retenido por la membrana se llama retenido. La tasa de retención se utiliza para caracterizar el rendimiento de separación de la membrana, incluida la tasa de retención observada/informada (Robs) y la tasa de retención real/intrínseca (Ract). Su definición es la siguiente:
Donde Cp y Cb representan las concentraciones de soluto en el permeado y la solución de alimentación, respectivamente, que se pueden medir directamente. Sin embargo, debido a que los solutos se retienen y se adhieren a la superficie de la membrana, la concentración de soluto (Cm) en la superficie de la membrana es mayor que la concentración promedio de la solución de alimentación. Por lo tanto, la tasa de retención real es:
El valor de Cm generalmente no se puede medir directamente y debe estimarse mediante un modelo computacional.
4.Polarización de concentración
Durante los procesos reales impulsados por presión, el flujo de la membrana a menudo disminuye con el tiempo y la tasa de retención de soluto también cambia. La principal causa de este fenómeno es la polarización por concentración y la contaminación de las membranas.
La polarización de concentración se refiere al fenómeno en el que, en condiciones impulsadas por la presión, el disolvente de la solución de alimentación pasa libremente a través de la membrana, mientras que la membrana retiene los solutos. El flujo de disolvente transporta continuamente los solutos a la superficie de la membrana, provocando la acumulación de solutos en la membrana. Como resultado, la concentración de soluto (Cm) en la superficie de la membrana aumenta gradualmente, lo que lleva a un gradiente de concentración que causa difusión inversa desde la superficie de la membrana a la solución de alimentación. Después de un período de estabilización, cuando el flujo de la solución de alimentación a la superficie de la membrana es igual a la difusión inversa, se forma una capa límite de polarización de concentración estable. La condición de retención completa se expresa mediante la siguiente ecuación:
La relación Cm/Cb se denomina relación de polarización de concentración. Cuanto mayor sea la relación, más desfavorable será para la separación por membrana.
El flujo de membrana (J) es más fácil de medir, pero k es la relación entre el coeficiente de difusión y el espesor de la capa límite. El valor de k está relacionado con las condiciones de flujo en la superficie de la membrana y puede calcularse utilizando la correlación numérica adimensional de transferencia de masa o determinarse experimentalmente. Los métodos para determinar los valores de k se pueden encontrar en el artículo de Zeman y Zydney (1996).
