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DE FOMENTO
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DE MEDIO AMBIENTE
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BIORREACTORES DE MEMBRANAS PARA LA
DEPURACIÓN Y REUTILIZACIÓN DE AGUAS
Raquel Iglesias Esteban Área de Tecnologías del Agua
CEH-CEDEX
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La implantación de la tecnología en España
Nº de plantas y capacidad acumulada
Vertido en zonas sensibles
Reutilización de efluentes depurados
Ampliaciones de EDARs
Superficies de implantación limitadas
MBR-MFH Kubota EDAR de Sabadell-Riu Sec, 35.000 m3.d-1
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
05
1015202530354045505560
2003 2005 2007 2009 2011 2013 2014 Cap
acid
ad a
cum
ula
da,
m3 d
-1
Nú
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Año
Núnero de MBR total Número de MBR en construcción Número de MBR proyectados Capadidad acumulada, m3·d-1
Porcentajes sobre el total del volumen por usos
¿?
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Ventajas frente proceso de fangos activos convencional
• Requerimiento de espacio: 40-50% menos (MLSS elevadas (12-18 g.L-1)
• Sin problemas de decantabilidad del fango (sin D2)
• Calidad del efluente bueno y constante (UF-MF separación física)
Desventajas frente proceso de fangos activos convencional
• Costes de implantación y explotación mayores (membranas y energía)
• Ensuciamiento de las membranas
• Mayores necesidades de automatización
• Compleja la eliminación de fósforo vía biológica
• Igual producción de fangos
MBR vs FAC
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Calidad del efluente y su reutilización
Calidades del efluente tratado por un sistema de MBR
Calidades establecidas en el RD 1620/2007
• Desinfección (UV; HClO) para
asegurar ausencia E.coli
• Turbidez < 1 UNT; SS < 5 mg.L-1
• Puede alimentar una ósmosis
inversa
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Principales características del tratamiento
Influente
Tamiz
< 3mm
urga
Pozo de gruesos
Tanque
homogenización*
Rejas
gruesos/finos
Desarenador-
desengrasador
Membranas
sumergidas
Purga
urga
Recirculación
externa
Digestión
urga
Decantación
Primaria*
Deshidratación
urga
N
DN
Recirculación
interna
Espesamiento
urga
* Procesos opcionales
Reactor biológico
MBR sumergido no integrado
Bomba
• Modificación proceso convencional donde el D2 se sustituye por membranas
• Particularidades de la línea: Pretratamiento, tanque homogenización, recirculación
• Dos sistemas de aireación: proceso biológico y la etapa de filtración
Diagrama de flujo de un MBR sumergido no integrado
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Sistemas externos, sumergidos no integrados e integrados
Membranas
sumergidas
Permeado Influente
Bomba
Tanque
biológico
Recirculación Purga
Tanque
biológico
Membranas
sumergidas
Permeado Influente
Bomba
urga
Purga
Tanque
biológico
Membranas externas
Recirculación Purga
urga
Influente
Bomba
urga
• Recirculación Energía
• Succión o gravedad
• Control del sistema: ensuciamiento
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Proceso biológico
Parámetros diseño y operación: la edad del fango, la carga másica, la concentración de
SSLM, la recirculación, la producción de fangos en exceso y la capacidad de aireación.
- Permite trabajar a SSLM, hasta 18 g.L-1 pero lo habitual 6-10 g.L-1.
- Ratio de recirculación: 3 a 5 veces el caudal medio tratado
- Eliminación de nutrientes: recirculación interna y externa, precipitación química
+ Doble recirculación
+ Tanque de desoxigenación
+ Aumentar la zona anóxica
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Separación por membranas
Los parámetros diseño y operación: Flujo (F); Presión transmembrana (PTM);
Permeabilidad (K); Resistencia de la membrana (R); la viscosidad () de este fluido
Estas variables están relacionadas por la ecuación de Darcy:
F = PTM/(R*)
donde F es el flujo en m3.m-2.s, la PTM en bar, R en m-1 y en bar.s
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Características de las membranas
Clasificación: en función de alguna de sus características como tamaño de poro, el
material del que se componen, su morfología o estructura interna.
- Ultrafiltración o microfiltración
- Polivinilidenofluoruro (PVDF), la politietilsulfona (PES), el polipropileno
(PP), el polivinil pirrolidona (PVP) y el polietileno (PE)
- Planas, fibras y tubulares
- Módulo y bastidor
- Sistema de aireación
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Bastidores y módulos de membrana de placa plana, fibra hueca y tubular
Características de las membranas
Características y parámetros de diseño de MBR según casas comerciales
Parámetro Placa plana Fibra hueca Tubulares
Dirección de flujo Fuera-dentro Fuera-dentro Dentro-fuera
Tipo de flujo Flujo perpendicular Flujo perpendicular Flujo tangencial
Sumergida/externa Sumergida Sumergida Externa
Refuerzo textil Si Algunas Si
Filtración (MF/UF) MF/UF UF UF
PTM operación (bar) 0,03-0,1 0,1-0,3 0,1-0,5
Flujo a Qmedio (LMH) 18-30 25-30 50-65
Placa plana Fibra hueca Tubulares
SADm (m3·m-2·h-1) 0,20-0,35 0,10-0,38 0,20-0,30
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Sistemas de filtración en España
Sumergidas Externas
Fibra hueca Lámina plana Tubulares
Zenon Kubota Norit X-Flow
Siemens-Memcor Toray
Koch-Puron
Huber
Microdyn-Nadir Ecotec
Alfa Laval
Clasificación de los sistemas comerciales comercializados en España
Fotos e información cedidas por las casas comerciales
0
25000
50000
75000
100000
125000
150000
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
ZENON KUBOTA TORAY HUBER KOCH MICRODYN
Cap
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Casas comerciales
Número de instalaciones
Capacidad, m3 d-1
Capacidad y nº de MBR por casas comerciales, Iglesias R., 2015
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Sistemas de filtración. Anexo I
CARACTERISTICAS GENERALES
Marca (fabricante) ZENON
Modelo W500D
Tipo de filtración (MF, UF) UF
Tipo de configuración (tubular, fibra hueca, plana) Fibra hueca reforzada
Modo de filtración (succión, presión, gravedad, sifón) Succión
Material de la membrana PVDF
Diámetro de poro nominal (micras) 0,034
Tipo de refuerzo Textil
Dimensiones del módulo (mxmxm) 2,198 x 0,844 x 0,049
Dimensiones del bastidor (mxmxm) 2,112x1,745x 0,590
Nº de módulos por bastidor < 48
Superficie de membrana por módulo ( m2) 34,37
Superficie de membrana por bastidor ( m2) 1.649,76
Empaquetado del módulo (m2 membrana /m3) 378
Empaquetado del bastidor (m2 membrana /m3) 172,84
Dirección del flujo De fuera a dentro
Configuración del sistema Sumergido
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Sistemas de filtración. Anexo I
DISEÑO Y OPERACIÓN
Tipo de pretratamiento necesario Tamizado chapa perforada 1-2 mm
Temperatura a la que están referidos los valores de la tabla 20 ºC
SSLM (g.L-1) tanque membrana 12
Caudal de recirculación habitual 3-4Qm
Edad de fango mínima (días) 8
Flujo a caudal medio (L.m-2h-1) 27-29
Flujo a caudal punta (L.m-2h-1) 47-49
PTM operación (bar) 0,1
PTM máxima de permeado (bar) 0,9
PTM máxima de contralavado (bar) 0,55
Permeabilidad (L.m-2h-1bar-1) 250-290
Tipo de aireación Burbuja gruesa intermitente con ciclos
de trabajo 10” aire:10” parada a caudal
punta y 10:30 a caudal nominal
Caudal de aire (Nm3.h-1) por módulo /bastidor 9,7 / 465 por bastidor en 10:10
4,85/232 por bastidor en 10:30
Presión del aire suministrado (bar) 0,3-0,35
SADm (m3 aire/m2 membrana.h) 0,285-0,38
SADp (m3 aire/m3 permeado) 10,5 ( modo 10:10)
Ciclos de trabajo (minutos filtrado/relajado, contralavado, etc.) 10 minutos filtración 1 minuto
contralavado o relax a caudal nominal
Contralavados (con agua filtrada, con aire, etc.) Si. Con agua filtrada
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Operación de las membranas
• Control del ensuciamiento de las membranas
• Eficiencia energética del proceso
• Puesta en marcha (concentración de MLSS adecuada)
• Diseño de las instalaciones (estrategia hidráulica, líneas, etc.)
Sistemas de aireación Separación físico-química Proceso de ensuciamiento
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Control del ensuciamiento
• Tipo de membrana (resistentes al ensuciamiento y químicos)
• Características el agua a tratar (hidrocarburos, acetonas o disolventes)
• Pretratamientos (1mm FH y 2 mm PP)
• Estrategias de operación (ciclos de filtración10:1; PTM: 0,1 bar; LMH:25 )
• Protocolos de limpieza (química y física a través de la aireación, 10:10 o 10:30)
Fotos cedidas por ESAMUR
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Protocolos de limpieza física y química
En función del tipo de membrana: FH y PP
Fibra hueca:
- Física: (10min:1min) contralavados, relajación y aireación en discontinuo 10:10-10:30 seg
- Química: + mantenimiento 250 mg.L-1 hipoclorito y 2.000 mg.L-1 acido cítrico
+ recuperación: 2.000 mg.L-1 hipoclorito y 4.000 mg.L-1 de ácido cítrico
Placa plana:
- Física: (9min:1min) relajación y aireación en continuo
- Química: hipoclorito sódico (12% de pureza y con una dilución al 5%) y ácido oxálico u
ácido cítrico (0,5 y el 1 %)
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Eficiencia energética
• Adaptar las concentraciones de MLSS lo
más bajas posibles
• Bajar caudales de recirculación
• Edades de fango suficientes para tener una
buena permeabilidad (8 días)
Puntos de control del proceso biológico
ESAMUR 2011 www.onlinembr.info
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Eficiencia energética
• Consumo energético de un MBR es 1,5-2 veces mayor que un convencional
• Calidad efluente/energía (Convencional + Regeneración con membranas) es similar
• La aireación supone el 60% de la energía consumida por el MBR
• Los sistemas de control del proceso de filtración son básicos y poco flexibles
Puntos de control del proceso de filtración
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Eficiencia energética
Trabajar con flujos lo más elevados posibles
Ajustar los ciclos de aireación (patentes: Siemens, GE, ITT, ICRA-LEQUIA)
Control integrado procesos biológico-filtración, Ferrero et al 2012
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Parámetro Abreviación Unidad Valores
habituales
Max-Min
Placa plana Fibra hueca
Concentración de fangos SSLM g·L-1
6-8(1)
5 - 10 < 7,5
Coeficiente alfa α 0,35 - 0,5 - -
Edad del fango SRT d > 9 21 - 31 8 - 20
Recirculación Qr % 300-500 300 - 400 150 - 500
Diseño y operación de plantas españolas
Parámetros de diseño proceso biológico de MBR españoles, 2011
Parámetros de diseño del proceso de filtración de MBR españoles, 2011
(1) en función del espacio
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Consumos energéticos
Parámetros de funcionamiento y consumos energéticos de MBR españoles, 2011
El consumo energético por m3 de agua tratada pueden situarse por debajo de 1 kWh para plantas que
tratan más del 50% del caudal de diseño y tratan cargas normales de DBO5
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Problemas detectados en la operación
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Recomendaciones para el diseño
• Controles del proceso abiertos no dependiendo de las casas comerciales
• Caudal a tratar por las membranas lo más constante posible ( tanque de laminación,
líneas de membranas independientes o sistemas duales)
• Periféricos (Bombas sumergibles de baja carga, soplantes, difusores, etc.)
• Deflectores en la entrada de las líneas de las membranas
• Zonas anexas para hacer inspecciones de los bastidores (grúas bastidor mojado).
• Sistema de membrana dimensionado para tratar caudal punta diario con una línea de
membranas parada.
Fotos cedidas por ESAMUR
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Costes de implantación y operación
EDAR Capacidad
m3.d-1
Capacidad h-e Tipo de
proceso(1)
Tipo de
membranas
Superficie
membranas m2
Coste
€.m3.d-1
Coste
€.h-e-1
Vallvidrera 1.100 5.500 N-D+P Fibra hueca 2.526 3.277 655
Vacarisses 1.320 6.600 N-D+P Fibra hueca 3.030 2.130 426
Mar menor 1.880 7.800 AP-N-D Placa plana 3.200 2.002 482
Riquelme 1.575 5.250 AP-N-D Placa plana 3.200 2.074 622
El Valle 1.400 4.666 AP-N-D Placa plana 2.560 1.982 595
San Pedro 20.000 133.333 AP-N-D Fibra hueca 48.537 625 94
(1) N-D+P: proceso convencional con eliminación de nitrógeno vía biológica en una etapa más eliminación de fósforo por
precipitación química: AP-N-D: aireación prolongada con eliminación de nitrógeno vía biológica en una etapa.
Costes de implantación MBR construidos del 2007 al 2011
El coste de implantación de 3200-1000 €.m-3.d-1 y 650-420 €.h-e-1 en capacidades de 1.000 a 10.000 m3.d-1
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Costes de implantación y operación
EDAR Capacidad
m3.d-1
Tratado
m3.d-1 €.m-3 €.kg
DBO5-1eleminado
Tratamiento
fango(1)
Vallvidrera 1.100 849 0,460 2,9 Compostaje
Vacarisses 1.320 683 0,577 4,9 Compostaje
Mar menor 1.880 552 0,480 3,8 Aplicación
agricultura
Riquelme 1.575 362 0,970 18 Aplicación
agricultura
El Valle 1.400 219 1,600 44 Aplicación
agricultura
San Pedro 20.000 8.247 0,241 1,5 Aplicación
agricultura
Costes de explotación de plantas MBR, año 2011.
- Los fangos suponen entre el 20% y el 30% de los costes totales de explotación, coste medio del
tratamiento de 15 a 20 euros por tonelada de materia húmeda de fango para la aplicación en agricultura,
30 a 35 euros por tonelada de materia húmeda de fango para el compostaje y de 40 a 60 euros.
- Los costes de explotación por m3 de agua tratada pueden situarse entre 0,2 - 0,5 €.m-3 para plantas que
tratan más del 50% del caudal de diseño y tratan cargas normales de DBO5 en plantas con capacidades
de diseño por debajo de los 5.000 m3.d-1.
- Los coste de explotación en relación a la energía se situaría entre los 0,06 y los 0,13 €.m-3.
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• Tipo de contaminación a tratar
• Rango de población
• Calidad del efluente
• Variaciones de caudal
• Impactos ambientales
• Costes de implantación y explotación
- Energía consumid
- Durabilidad de las membranas
Tecnología Consumo energético (kwh.m-3)
MBR, con eliminación de nutrientes < 1
Aireación Prolongada, con eliminación de nutrientes 0,4-0,8
Aireación Prolongada, con eliminación de nutrientes
+ Tratamiento regeneración convencional
0,6-1,0
Aireación Prolongada, con eliminación de nutrientes
+ Tratamiento regeneración avanzado
1-1,2
Costes de implantación en €.m-3.d-1 de MBR frente a los de aireación
prolongada con distintos tratamientos de regeneración
Criterios de implantación
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Opción frente otras tecnologías de depuración
• Vertidos en zonas con una sensibilidad ambiental
• Reutilizar el agua depurada
• Disponibilidad de terrenos limitados
• Como pretratamiento de ósmosis o EDR con objeto de reutilizar el agua
• En instalaciones hoteleras, complejos de ocio o similar, donde se precisan tratamientos
compactos y fáciles de cubrir
EDAR de MBR de San Pedro del Pinatar (Murcia)
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Gracias por su atención
CEDEX-ESAMUR-ACA-ICRA, 2014 Nº168, 2012