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U. J. Jáuregui-Haza, A.Zarragoitia-González, I. Quesada-PeñateCentro de Química Farmacéutica (CQF). 200 y 21, Atabey, Playa, Apdo.
16042, C. de La Habana. Cuba.A. M. Wilhaelm, H. Delmas, C. Albasi
INP-ENSIACET, Laboratoire de Génie Chimique, UMR - CNRS 5503, 5 Rue Paulin Talabot, 31106 Toulouse cedex, France
BIORREACTORES DE MEMBRANA Y ULTRASONIDO: TECNOLOGÍAS
EMERGENTES PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUALES LÍQUIDOS
HOSPITALARIOS
Los residuales hospitalarios
Sólidos:No peligrosos
Corto-punzantesBiológicosQuímicos
Radioactivos
Gaseosos
Líquidos:Albañal-doméstico
BiológicosQuímicosMercurio
RadioactivosEl hombre
ylos fármacos
Tratamiento de los residuales líquidos hospitalarios
Tecnologías convencionales:In situ vs. municipales
El espacio
Segregar, clasificar, tratar, disponer
Nuevas tecnologías :Biorreactores de membrana
UltrasonidoOxidación catalítica
Los biorreactores de membrana: BRM
Biorreactor de membrana
Reactor biológico:responsable de la degradación de los compuestos presentes en el agua residual.
Módulo de membranas:encargado de llevar a cabo la separación física del licor mezcla.
El mercado de los BRM
EEUU Y Canadá:
•$750 Millones (2003)
•$1.3 Miles de Millones(2010)
Europa:
•$43 Millones (2002)
- Necesidad de disminuir la producción de lodos biológicos (hasta un 80%)- Necesidad de un grado de depuración elevado: vertido a cauce público, zonas sensibles o pago de un impuesto de vertido elevado- Reutilización: La reutilización puede venir impuesta por la escasez de agua de la zona o puede suponer un valor añadido importante a considerar. Las variables aquí van a ser el precio del metro cúbico de agua fresca o las subvenciones por reutilización- Poco espacio disponible- Ampliación de la capacidad de tratamiento de plantas convencionales ya existentes- Efluentes industriales con componentes de difícil o lenta biodegradabilidad
¿Cuándo instalar un BRM?
Ventajas de los BRM (1)
- Calidad de agua tratada: Reutilización.- Mínima producción de lodos: Producciones similares a sistemas anaerobios.- Estabilidad: Calidad del permeado estable con independencia de picos de carga.- Modularidad: Sistemas fácilmente ampliables sin necesidad de
reformas ni ampliación de reactor biológico.- Desinfección: Efluente desinfectado tras atravesar una membrana de ultrafiltración.-Compacidad: Mínimo requerimientode espacio.-Mantenimiento: Sistemas muy automatizados, mantenimiento mínimo.-Eliminación de bulking y espumas de origen filamentoso.
- Se obtiene un elevado coeficiente de transferencia de oxígeno y una alta fracción de biomasa activa que posibilita trabajar con elevados tiempos de retención de los sólidos con una mínima producción de lodos sin que disminuya la eficiencia del proceso, o que garantiza aguas tratadas con las siguientes características: DQO <125 mg/L, DBO5< 15 mg/L, SS <5 mg/L.
- Disminución del contenido de bacterias y virus, así como de metales pesados en las aguas tratadas con un impacto considerable en la salud humana y en la disminución de factores generadores de epidemias y enfermedades vinculadas a toxicidad de los metales pesados
125Volumen (unidades de referencia)
0.250.250.25Carga másica (Kg DQO / Kg SSVolátiles día)
7-404-122.5-3.5Sólidos Suspendidos en el licor mezcla (g/L)
1.8-101-30.6-0.9Carga Volumétrica (Kg DQO eliminada/m3 día)
MBR externoMBR sumergidoLodos ActivadosPARÁMETROS
SISTEMAS DE TRATAMIENTO
Ventajas de los BRM (2)
Desventajas de los BRM
- Altos costos de capital inicial- Mayor consumo energético- Necesidad de limpieza frecuente de las
membranas a causa del proceso de colmatación- Costos de operación y mantenimiento más
elevados
Comentarios al margen: El precio de las membranas ha idodisminuyendo, en particular las membranas poliméricas. Se estándesarrollando además nuevos materiales que retardan la deposición y la adsorción de sustancias sobre la superficie de la membrana, lo cualenlentece considerablemente el proceso de colmatación.
a) Fuerzas de cizallamiento sobre la membrana
b) Turbulencia en el líquido
c) Movimiento vibratorio de las fibras
Mecanismos de acción de la aireación en los BRM
¿Qué es el ultrasonido?
Las ondas sonoras que tienen frecuencias superiores a las que pueden ser percibidas por el oído humano (16 KHz). Se define para frecuencias superiores a 20 KHz.
¿Qué es la cavitación acústica?
Cuando una onda acústica es emitida en un líquido, la distancia promedio entre las moléculas en el líquido variará en la medida que las mismas oscilen alrededor de su posición de equilibrio. Cuando la presión en un punto disminuye lo suficiente, de forma tal que se excede la distancia molecular crítica necesaria para mantener el líquido intacto, entonces se crean burbujas de vapor o gas (Fig.1 fase A) que se agrandan mientras dura la fase de depresión acústica (presión negativa). Durante la segunda fase de compresión ultrasónica (Fig. 1 fase B), la enorme presión ejercidasobre las burbujas recién expandidas, comprime a las mismas aumentando enormemente la temperatura del gas en ellas contenido (Fig. 1 fase C) hasta que las burbujas colapsan en si mismas implotando con la consiguiente expulsión de una enorme cantidad de energía (Fig. 1 faseD) suficiente como para desencadenar reacciones químicas (más de 1000 K y más de 100 bars).
H2O → H • + •OH O2 → 2OH• + •OH → H 2O •OH + •OH → H2 O2 H2O + O → •OH + •OH
Sonoquímica
La sonoquímica homogénea: el efecto del ultrasonido es puramente químico (producción de radicales libres)
La sonoquímica heterogénea: los efectos mecánicos del ultrasonido pueden acelerar la reacción química (limpieza de superficies sólidas, eliminación de capas de óxido, reducción del tamaño de un sólido, aceleración de la difusión en un sólido poroso, etc)
El ultrasonido ofrece un gran potencial para mejorar los procesos de tratamiento de agua, aguas residuales y lodos.
Por lo tanto…
Pero, hay que tener en cuenta:
la influencia de la frecuencia,
la influencia de los gases disueltos y los sólidos suspendidos en la cavitación,
el diseño óptimo de reactores,
la economía, la confiabilidad y tiempo de vida útil del equipamiento ultrasónico.
0%
5%
10%
15%
20%
25%
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
P u b l i c a t i o n Y e a r
Publicaciones sobre ultrasonidoen el tratamiento de aguasresiduales
Country/Territory
Peoples R China; 25,00%
Germany; 12,50%
Greece; 12,50%
USA; 11,10%
France; 8,30%
India; 8,30%
Spain; 8,30%
England; 4,20%
Japan; 4,20%
South Korea; 4,20%
Base de datos: ISI WEB of Knowledge
Palabras clave: ultrasound, wastewater
Aplicaciones del ultrasonido en la ingeniería ambiental.
Campo Objetivo ReferenciaInactivar bacterias(desinfección)
Phull et al. (1999)
Mejorar separación desólidos
Spengler & Jekel(1999)
Degradar contaminantes Petrier et al; Tauberet al.; Ondruschka & Hoffmann; Keck etal.; (1999)
Mejorar la degradaciónbiológica
Tiehm (1999)
Desintegrar sólidosbiológicos
Lehne & Muller;Nickel; Gruning &Orth; (1999)
Descomponer flóculosde lodos activadosbulking para mejorar lasedimentación
Nickel (1999)
Tratamiento de aguapotable
Tratamiento de aguasresiduales
Tratamiento de lodos
PLANTA DE TRATAMIENTO DE AVONMOUTH. UK
El digestor fue estable alimentando incluso 100 % de lodos activados previamente sonicados.
Un 50 % de incremento en la producción de biogas.
Un incremento entre el 30-50 % en la destrucción de los sólidos.
DATOS IMPORTANTES
El costo de capital para el proceso ultrasónico es $30,000/kW(1 kW del proceso ultrasónico trata aprox 10,000 poblaciónequivalente).
Los costos de operación y mantenimiento son mínimos e incluyen la sustitución de los electrodos cada 1.5 - 2 años.
El tiempo de recuperación de la inversión para plantasmontadas en Alemania varía desde 8 meses hasta 3 años.
Toda la tecnología montada está patentada y cumple las ISO 9001
Esta tecnología se ha probado, de forma exitosa, por variosaños en Europa. Actualmente existen 8 plantas, la mayoría en Alemania
Los volátiles son degradados preferentemente por reacciones pirolíticas que ocurren en la fase vapor de la burbuja de cavitación.
Los hidrofóbicos se acumulan y reaccionan en la capa límite hidrofóbica de la burbuja de cavitación. La concentración de radicales OH y H2O2 en la capa límite es significativamente superior a la concentración de estos en el seno del líquido. En esta capa la pirólisis y las reacciones radicalarias contribuyen a la degradación del compuesto bajo estudio.
Los hidrofílicos se degradan mediante la reacción con los radicales OH y el H2O2 en el seno del líquido.
Las macromoléculas y las partículas se degradan por la acción de fuerzas hidromecánicas producidas por el colapso de las burbujas de cavitación.
¿Qué mecanismos dominan la degradación de compuestos
refractarios?
Condiciones de operación
Carga volumétricaEdad de los lodos
Nutrientes
Características dellicor mezclado
Concentración de la materia en suspensionFloculaciónViscosidad
ControlLimpieza de la
membranaCiclos de filtración
RetrolavadoAireación
OptimizaciOptimizacióónn
BRM: Estrategia de I + D
Colmatación de la membrana
Pérdida de las capacidadesde transferencia de la
membrana
OBJETIVOS: BRM
2- Desarrollar modelos que permitan la simulación y optimización del proceso de filtración en los BRM
1- Evaluar el proceso de tratamiento de residualesutilizando un BRM
-ORIGEN DEL RESIDUAL
Aguas residuales municipales y domésticas. Residual de entrada a la estación de depuración de Brax, Francia.
-CARACTERÍSTICAS DE LA MEMBRANA
Membrana de fibra hueca polimérica (Polisulfona) con tamaño de poro 0.1 µm , diámetro interno 0.4 mm , diámetro externo 0.7 mm. (POLYMEN S.A., Toulouse, Francia).
La membrana y el residual
Métodos
1- Sólidos Suspendidos 2- Prueba de filtración frontal 3- Demanda Química de Oxígeno 4- Sustancias Poliméricas Extracelulares
(Proteínas + hùmicos),(Polisacáridos)5- Granulometría de los lodos6- pH7- Temperatura8- Evaluación de coeficientes cinéticos por respirometría
Filtrabilidad de los Lodos (Test Filtracion Frontal)
0
10
20
30
4050
60
70
80
90
0 5 10 15 20 25
V
t/V
Lodos - 27 Marzolodos-7 AbrilLodos 2 Mayo
Comportamiento de la presión transmembranal máxima
00,05
0,10,15
0,20,25
0,30,35
0,40,45
0,5
14/3 20/3 26/3 1/4 7/4 13/4 19/4 25/4 1/5 7/5 13/5 19/5 25/5 31/5 6/6 12/6 18/6 24/6 30/6 6/7 12/7
Tiempo (dias)
pres
ión
tran
smem
bran
al
máx
ima
(bar
)
Comportamiento del pH
0123456789
8/3 20/3 1/4 13/4 25/4 7/5 19/5 31/5 12/6 24/6 6/7Tiempo (dias)
pH
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
16/3 24/3 1/4 9/4 17/4 25/4 3/5 11/5 19/5 27/5 4/6 12/6
Temps(jour)
Mat
eria
en
Susp
ensi
ón (g
/L)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Fluj
o m
ax. (
L/h)
, Pre
sión
Tr
ansm
embr
anal
Max
. (ba
r)
Materia en suspensiónPresión TransmembranalFlujo máximo
Comportamiento de la capacidad colmatante del lodo
0100000002000000030000000400000005000000060000000700000008000000090000000
27/3 3/4
10/4
17/4
24/4 1/5
8/5
15/5
22/5
29/5 5/6
12/6
19/6
26/6
Tiempo (dias)
Ulti
mo
valo
r de
t/V
desp
ués
de la
filt
raci
ón d
e 20
mL
de lo
do (s
/m3)
Comportamiento DQO Y PROTEINAS
0
100
200
300
400
500
600
700
24/3 13/4 3/5 23/5 12/6 2/7Tiempo (dias)
DQ
O (m
g/L)
0
10
20
30
40
50
60
70
Con
c Pr
otei
nas
(mg/
L)
DQO- ALIMENTACIONDQO-SOBRENADANTE DE LOS LODOSCONCENTRACION DE PROTEINAS (ALIMENTACION)CONCENTRACION DE PROTEINAS (LODOS)
Algunos resultados del comportamiento del BRM
Estrategia de modelación del sistema
Nivel 1:
Este nivel de análisis considera el comportamiento de los microorganismosque se encuentran en el interior de BRMS respecto a su metabolismo, interaccionescon el sustrato, consumo o excreción de compuestos colmatantes (SPE).
Nivel 2 :Este nivel de análisis considera el proceso de colmatación considerando la formación de resistencias a todo lo largo del proceso de filtración. Por tanto el debe considerar la evolución en el tiempo de los mecanismos que son responsables de la colmatación de la membrana, así como las fuerzas que se encuentran presentes durante la filtración.
Nivel 3:Este nivel de análisis considera las variables relacionadas con las corrientes de entrada y de salidadel sistema. Por ejemplo: Flujo de alimentación, flujo de permeado, alimentación de burbujas gruesas, entre otras.
Esquema conceptual de la teoría unificada de Laspidou y Rittmann, 2002
1- Síntesis de biomasa, 2- Formación de productos asociados a la utilización (PAU), 3- Formación de sustancias poliméricas extracelulares (SPE) enlazadas a la biomasa, 4- Degradación del sustrato, 5-Degradación endógena de la biomasa, 6- Descomposición de la biomasa produciendo partículas inertes, 7- Formación de productos asociados a la biomasa (PAB) a partir de la hidrólisis de las SPE enlazadas a la biomasa.
Paracetamol
Levodopa
OBJETIVOS: Ultrasonido
1- Estudiar la oxidación ultrasónica del paracetamoly la levodopa
El reactor ultrasónico
Diferentes frecuencias: 574, 860, 1134 khz Diferentes potencias: 71, 118, 141 y 222 W
Diferentes concentraciones: 50 y 100 mg/L
Oxidación ultrasónica de la levodopa
2
12,8
27,7
46,8
05
1015
20253035404550
71,5 118 141 222
PG - PV (W)
Eficiencia de degradación levodopa (%)
46,841,4
32,9
05
1015
20253035404550
574 860 1134
Frecuencia (kHz)
Eficiencia de degradación Levodopa (%)
46,8
99,7
0102030405060708090
100
100 50
Concentración (mg/L)
Eficiencia de degradacion levodopa (%)
21 %
47 %
Oxidación ultrasónica de la levodopa
Oxidación Levodopa bajo Ultrasonido
0102030405060708090
100110
0 2 4 6 8 10Tiempo (horas)
Con
cent
raci
on (m
g/L)
100 mg/L-574 kHz-pot max
50 mg/L-574 kHz-pot max
100 %
Oxidación Levodopa bajo Ultrasonido
020406080
100120140160
0 2 4 6 8 10Tiempo (horas)
DQ
O (m
g/L)
DQO Ci=100 mg/L
DQO Ci=50 mg/L
26 %
Aun a pequeñasconcentraciones, el tiempo de reacciónpara la degradacióntotal del producto es elevado(8 h) y la mineralización es pobre (26 %)
Oxidación ultrasónica del Paracetamol
96
88
80
85
90
95
100
574 860
Frecuencia (kHz)
Eficiencia de degradacion Paracetamol (%)
Oxidación Paracetamol bajo Ultrasonido
0
50
100
150
200
0 2 4 6 8 10Tiempo (horas)
Con
cent
raci
ónn
(mg/
L)
ParacetamolDQO
96 %
27 %
El tiempo de reacción para la degradación total delproducto es elevado (8h) y la mineralización es pobre(27 % para Ci= 100 mg/L)
Oxidación bajo Ultrasonido
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10Tiempo (horas)
Con
cent
raci
ón (m
g/L) Paracetamol-50 mg/L
Paracetamol-100 mg/L
Consideraciones finales
BRM
Tecnologías convencionales
Integración deprocesos
Residuales líquidoshospitalarios
Ultrasonido
Proyecto FIPHARIIA de la red PROQUIFAR,
INP-ENSIACET y Laboratoire de Génie Chimique, UMR - CNRS 5503, Francia
Ministerio de Salud Pública, Cuba
POLYMEN S.A., Toulouse, Francia
Estación de depuración de Brax, Francia
Agradecimientos