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El ensuciamiento o “fouling” es el término general que reciben los procesos por los cuales una amplia variedad de sustancias presentes en el agua residual incrementa la resistencia de la membrana debido a la deposición de dichas especies sobre su superficie, adsorción en los poros de la membrana o por bloqueo completo del poro. El ensuciamiento tiene lugar debido a diversos mecanismos fisicoquímicos y biológicos, el cual puede verse agravado por el fenómeno de polarización por concentración debido a que este fenómeno aumenta la concentración de impurezas en los alrededores de la membrana.

En el caso de la depuración biológica, los elementos que suelen producir el ensuciamiento son los materiales coloidales, o las sustancias poliméricas extracelulares (EPS) que son metabolitos excretados por la biomasa encargada de depurar el agua.

Existen dos tipos de fouling:

 Fouling externo o reversible: las substancias se depositan sobre la membrana.

 Fouling interno o irreversible: las substancias obturan los poros del interior de la membrana.

El tipo de ensuciamiento que mayor problema presenta es el interno o irreversible, ya que sus efectos son muy graves. Dichos efectos provocan la necesidad de realizar sucesivos lavados químicos, los cuales resultan agresivos para la misma o, en el caso extremo, sustituir la membrana. Sin embargo, el ensuciamiento externo o reversible, se elimina fácilmente mediante mecanismos físicos. La reducción en el caudal de permeado debido a la obstrucción de poros (ya sea en el exterior o en el interior), es la consecuencia que se observa con mayor frecuencia. Esto se traduce en un aumento de consumo energético. Para mantener el caudal de permeado se debe aumentar la presión transmembranal, lo cual supone también un incremento del gasto energético.

El ensuciamiento de las membranas también es el responsable de la repercusión económica producida por la necesidad de realizar limpiezas químicas y las sustituciones de las membranas con mayor frecuencia.

De acuerdo con la bibliografía, existen diferentes fenómenos que originan el ensuciamiento, entre ellos se encuentran [13]:

 Precipitación sobre la superficie de la membrana: ocurre cuando precipitan las partículas de soluto sobre la superficie de la membrana, de forma que los poros quedan tapados (figura 3.13).

Figura 3.13. Precipitación sobre la superficie.

 Obstrucción del poro por una partícula: se da cuando una partícula queda atrapada a lo largo del poro impidiendo el paso a través del mismo (figura 3.14).

Figura 3.14. Obstrucción por partícula.

 Constricción del poro por sus paredes: la adsorción de partículas en la superficie de la membrana, es la causante de la reducción efectiva del poro, produciendo la reducción del flux de permeado (figura 3.15).

Figura 3.15.Constricción del poro.

 Obstrucción del poro por un agregado: esta obturación del poro ocurre por acción de un agregado de partículas como se muestra en la figura 3.16.

Figura 3.16. Obstrucción por agregado.

Las EPS son mezclas complejas de polímeros de gran peso molecular que provienen de la lisis de las células de los microorganismos, del desprendimiento de material de la superficie de estas células y de la materia orgánica presente en el agua residual.

Desde el punto de vista microbiológico, las EPS son importantes ya que protegen a las células frente a agentes tóxicos, permiten la formación de flóculos, protegen a la célula de la deshidratación intervienen en la formación de biopelículas y pueden actuar como fuente de carbono o energía en condiciones de escasez de nutrientes (Bitton, 2005) [16].Las EPS las forman las eEPS y las SMP tal y como se comentó en el apartado 3.2.

Las SMP, son las que intervienen en mayor medida en el ensuciamiento de las membranas. Las situaciones en las que los microorganismos actúan excretando SMP al medio son [16]:

 Periodos de escasez de alimento debido a cambios metabólicos relacionados con la respiración endógena.

 Mantenimiento del equilibrio de concentración a través de la membrana celular.

 La adición repentina de una fuente de carbono y energía a un medio con escasez de alimento puede acelerar la muerte de las bacterias, generando SMP.

 Respuesta a cambios bruscos de temperatura, tóxicos, etc.

En definitiva, el contenido y la composición de las EPS depende de factores como las características del fango, la fase de crecimiento, los parámetros del proceso, el tipo de biorreactor y los métodos de extracción, entre otros. De ahí que el control de las EPS sea complicado, ya que está relacionado directamente con el ajuste de los parámetros de operación [16].

Algunos estudios demuestran que manteniendo un pH, temperatura y salinidad adecuados en el fango activo ayuda a controlar la producción de EPS y el ensuciamiento de la membrana. Además, la adición de adsorbentes, coagulantes y agentes químicos pueden modificarse las propiedades del fango activo produciendo la formación de coloides capaces de adsorber SMP y eEPS, aumentando así el tamaño de los flóculos y atenuando el ensuciamiento, como es el caso del CAP [25].

En la actualidad, están surgiendo nuevas estrategias en el ámbito de la ultrafiltración debido a la necesidad de investigar acerca de cómo mitigar los efectos del fouling, comprender sus mecanismos de actuación, así como también, reducir los problemas económicos y ecológicos que conllevan. La

explotación de los medios bioquímicos, mecánicos o hidrodinámicos, tales como el uso de aditivos, adsorbentes, modificación de la superficie de la membrana, etc., han llevado a la creación de nuevas tecnologías y a optimizar los métodos tradicionales.

Ejemplo de estas nuevas estrategias es, por ejemplo, la investigación de un nuevo revestimiento anti incrustante de membranas de ultrafiltración, basado en una técnica de microemulsión bicontinua polimerizable (PBM), que se ha desarrollado y ensayado por primera vez en el presente año, en un biorreactor de membrana usando agua residual industrial. En este estudio se ha comparado el proceso de filtración de un BRM con membrana de ultrafiltración de polietersulfona (PES) y un BRM con esta novedosa membrana con las mismas características de operación. Se ha comprobado que el ensuciamiento de la membrana ha sido mucho menor en el BRM en el que se había utilizado la membrana PBM. Tras 105 días de operación, la membrana seguía conservando la capa de PBM, demostrando su robustez ante el ensuciamiento. Por ello se han planteado realizar investigaciones futuras para utilizar este tipo de membranas en estaciones depuradoras a gran escala [30].

3.5. Adsorción mediante Carbón activo.