Methodology

En una planta típica de fangos activos la aireación representa 50 - 65% de la demanda neta de energía (U.S. EPA 1999). En la actualidad es muy necesario evaluar sistemas innovadores que incrementen la capacidad de oxidación y la eficiencia, y que puedan significar un ahorro de costes de capital y de explotación. En ese sentido el proceso RBMA es una tecnología que ha demostrado su potencial para generar ahorros energéticos si se compara con los fangos activos y algunos procesos biopelícula (Coté et al., 1988; Semmens 2005; Syron y Casey 2008), y esto ha hecho que represente un foco de investigación desde finales de los 80 (Timberlake et al. 1988; Eguía, 1991). Un RBMA utiliza una membrana permeable a gases para que el oxígeno difunda hacia la biopelícula y sea consumido directamente en la oxidación biológica de los contaminantes aportados desde el agua residual a través de la cara opuesta de la biopelícula (Fig. 1.5). Esta configuración, simple y única (gas-membrana-

biopelícula-agua residual) permite un completo control sobre la transferencia de oxígeno mediante la variación de la presión parcial de oxígeno intra-membrana. Teóricamente, el oxígeno se puede insuflar en la medida justa, aproximándonos a un 100% de eficiencia en la transferencia de oxígeno (OTE por sus siglas en inglés de “Oxygen Transfer Efficiency”) según Ahmed y Semmens (1992) y hasta un 86% de OTE según Terada et al. (2003, 2006). Esto distingue a los RBMA de cualquier reactor aireado convencional, donde el máximo valor de OTE es de un 25-35% con una profundidad de lámina de agua de 4.5 m (Metcalf & Eddy 2003). Debido a las elevadas tasas de transferencia de oxígeno (OTR por sus siglas en inglés de “Oxygen Transfer Rate”) cuando se trabaja a elevadas presiones, los RBMA han sido explotados en muchas ocasiones para eliminar materia orgánica de aguas residuales fuertemente cargadas (p.e. Pankhania et al., 1994; Casey et al., 1999; Syron y Casey 2008) así como para nitrificar (Brindle y Stephenson, 1996; Terada et al., 2006; Shanahan y Semmens, 2006; Hwang et al., 2009). En casos concretos, cuando han sido explotados con bajas presiones parciales de oxígeno, los RBMA, han demostrado capacidad para alcanzar una nitrificación parcial, haciendo viable la eliminación autótrofa de nitrógeno a partir de nitrito (proceso CANON) en una sola biopelícula (Gong et al., 2008). Esta aplicación, también se atribuye a la difusión en contra-corriente del oxígeno respecto de los demás nutrientes, factor clave que diferencia los RBMA de los procesos biopelícula convencionales (lechos bacterianos, biodiscos, etc.).

La difusión en contra-corriente del oxígeno respecto de los demás nutrientes en un RBMA produce una biopelícula estratificada con una población bacteriana mayoritariamente activa a lo largo del espesor (Fig. 1.8). En esta biocenosis muy heterogénea, los organismos de más lento crecimiento, las nitrificantes aerobias, se localizan preferentemente en la zona adyacente a la membrana donde, entre otras ventajas: reciben abundante oxígeno, quedan protegidas de las puntas de carga, quedan menos expuestas a llegadas de tóxicos y a los efectos inhibidores que pueden provocar los organismos heterótrofos localizados en la zona más exterior de la biopelícula los cuales pueden oxidar carbón orgánico por vía aerobia, si hubiera oxígeno disponible, o por vía nitrato/nitrito (Syron y Casey 2008). Estas características han permitido que los RBMA sean aplicados en la eliminación de contaminantes xenobióticos (Wobus et al., 1995; Hage et al., 2004); en reducción de sulfato con eliminación simultánea de nitrógeno (Tan et al., 2014), y, de forma más general, en la eliminación simultánea de carbón orgánico y nitrógeno mediante nitrificación- desnitrificación (Timberlake et al., 1988; Zhang et al. 1995; Osa et al., 1997; Semmens et

al., 2003; Hibiya et al., 2003; Terada et al., 2003; Jácome et al., 2006). La eliminación simultánea de carbono y nitrógeno en procesos convencionales puede resultar difícil, porque las nitrificantes con cierta facilidad pueden quedar fuera de competición debido al rápido crecimiento de las heterótrofas las cuales compiten por el oxígeno disponible y por el espacio en la biopelícula (Okabe et al., 1996; Wanner et al., 1994). Aunque se produjese nitrificación, las desnitrificantes localizadas en el fondo de la biopelícula anóxica podrían sufrir déficit de carbono orgánico, resultando en una baja eficiencia en desnitrificación. Los RBMA también destacan por su aireación sin burbujeo, lo cual los vuelve competitivos para la eliminación de productos orgánicos volátiles que podrían generar olores y contaminación atmosférica (Stephenson et al., 2000; Syron y Casey, 2008). Y además, los RBMA pueden combinarse con otros procesos mejorando los resultados al funcionar de forma complementaria y conjunta, por ejemplo, pueden incorporarse a unos fangos activos ya en funcionamiento para convertirlos de solo oxidación orgánica a un proceso de nitrificación (en la BMA incorporada) y desnitrificación (en el seno líquido) (Shin et al., 2005; Downing y Nerenberg, 2007).

Figura 1.8.- Distribución típica de las capas de población microbiana en una biopelícula de membrana aireada (BMA) para eliminación simultánea de DQO y NT.

A pesar de estas ventajas notables, el desarrollo de los RBMA sigue en fase de estudios a escala de laboratorio y piloto, debido a varios problemas sin resolver tal como se ha recogido en artículos de revisión por varios investigadores: Esteban y Tejero (2007), Syron y Casey (2008), Li et al. (2008), o Martin y Nerenberg (2012). El interés por investigar sobre los

NITRIFICACIÓN OXIDACIÓN CARBONOSA DESNITRIFICACIÓN

MEMBRANA SOPORTE

biopelícula

agua

sustrato

aire

(O

)

RBMA ha decaído en los últimos años, lo cual se refleja en una reducción de las publicaciones al respecto. No obstante, se sigue estudiando nuevas aplicaciones para los RBMA, por ejemplo, para depurar aguas residuales de refinación de petróleo (Hu et al., 2014) o tratar lixiviados de vertederos de basuras (Syron et al. 2015). También, se profundiza en la evaluación de la capacidad de transporte de materia de las BMA, por ejemplo, midiendo la difusividad efectiva de un gas inerte a través de una BMA heterótrofa activa (Picard et al., 2014), que por cierto, ha demostrado que la difusividad efectiva al interior de una BMA activa es mayor que en la capa líquida estática adosada a la biopelícula, hecho que basado en resultados experimentales había sido intuido años antes por el grupo de trabajo del profesor Tejero de la Universidad de Cantabria (Osa et al., 1997). Asimismo, se ha estudiado recientemente los efectos de la alcalinidad y el pH sobre BMA nitrificante (Shanahan y Semmens 2015). En todo caso, dos podrían ser los principales factores a los que responde la disminución del número de estudios con RBMA: (a) carencia de módulos con membranas específicamente diseñadas para su aplicación en RBMA, y (b) el hecho de que los problemas que han dificultado la implementación de los RBMA están todavía sin resolver, por ejemplo la dificultad de mantener un espesor de biopelícula óptimo es un problema recalcitrante (Semmens, 2005; Syron y Casey, 2008). Estos dos factores están relacionados. Los fabricantes no tienen interés en producir membranas específicas si el principal problema de funcionamiento no está resuelto, y por otra parte los investigadores difícilmente pueden resolver el factor técnico del espesor de biopelícula sino disponen de los materiales de membrana adecuados. Se requiere más investigación para conseguir un avance contundente, que rompa con este círculo vicioso. Entre las aplicaciones de los RBMA, la nitrificación terciaria tiene mejores bazas por varias razones. La nitrificación es un proceso de consumo intensivo de oxígeno. Las potencialmente elevadas OTR y OTE de los RBMA hace viable conseguir altas tasas de nitrificación a coste razonable. El bajo contenido de carbono orgánico en los efluentes secundarios sometidos a nitrificación terciaria afectará muy poco a la tasa de nitrificación, como ya han observado a escala de laboratorio Shin et al. (2005). Por otra parte, en el caso de nitrificación terciaria habría menos problemas con el control del exceso de espesor en un RBMA. En RBMA de nitrificación terciaria las biopelícula observadas han sido relativamente finas (< 500 µm) (Esteban y Tejero, 2007; Syron y Casey 2008) debido al lento y escaso crecimiento observado por las bacterias nitrificantes (Wiesmann 1994). En general, los estudios que han demostrado una eficaz nitrificación terciaria en RBMA se han hecho con aguas residuales artificiales exentas de sólidos en suspensión (Brindle y Stephenson, 1996; Shin et al. 2005; Downing y Nerenberg, 2008;

Hwang et al. 2009; Molina et al., 2009). Pocos estudios han examinado los efectos de bajo contenido de carbono orgánico sobre el rendimiento de la nitrificación y sobre la comunidad microbiana en BMA (Downing y Nerenberg, 2008). Los efluentes secundarios reales pueden afectar de diferentes modos la tasa de nitrificación y la comunidad microbiana, porque contienen una matriz de compuestos orgánicos en forma coloidal y en suspensión (Long et al., 2011).

1.3.- OBJETIVOS

El objetivo general de este trabajo ha sido evaluar la eficiencia en nitrificación terciaria y en eliminación simultánea de materia orgánica (como DQO) y nitrógeno de las aguas residuales de un reactor biopelícula de membrana tubular aireada. La investigación realizada se ha estructurado en cuatro partes o estudios experimentales:

1º) Estudio de la nitrificación terciaria en un RBMA piloto en modo batch.

Los objetivos claves de esta parte fueron: (a) evaluar la viabilidad de la nitrificación terciaria de un agua residual sintética en un reactor biopelícula de membrana aireada a escala piloto explotado en modo discontinuo (batch), con baja presión intra-membrana de aire; (b) evaluar comparativamente el efecto sobre la nitrificación de airear la biopelícula de dos modos: (1) solo a través de las membranas tubulares (flujo uni-direccional) para lo cual se desoxigenaba el seno líquido y (2) con flujo bi-direccional de oxígeno, desde el seno líquido aerobio y a través de las membranas, y (c) evaluar el consumo de oxígeno por la biopelícula nitrificante para así, de forma indirecta, estimar la transferencia efectiva de oxígeno hacia la biopelícula a través de las membranas.

2º) Estudio de la eliminación conjunta de materia orgánica y amonio en un RBMA piloto en modo batch.

Los objetivos de esta parte fueron: (a) evaluar comparativamente respecto de la primera parte experimental el uso de agua residual doméstica decantada como fuente de amonio para la nitrificación, en este caso una nitrificación conjunta; (b) evaluar el efecto del desarrollo de una capa de biopelícula heterótrofa sobre la eficiencia de la nitrificación; (c) estudiar la viabilidad de una eficiente eliminación simultánea de materia orgánica y nitrógeno mediante

nitrificación y desnitrificación en un RBMA en modo batch. De los cuatro estudios experimentales, este fue el único que se realizó con agitación moderada del seno líquido.

Para estas dos primeras partes experimentales se diseñó y construyó un RBMA a escala piloto (136 litros de capacidad), dotado de un módulo de membranas microporosas tubulares de polipropileno. El módulo de membranas fue construido manualmente por el grupo de investigadores.

3º) Estudio de la nitrificación terciaria en un RBMA de laboratorio en modo continuo. Los objetivos principales de esta parte fueron: (a) evaluar la nitrificación terciaria de un agua residual sintética en un RBMA a escala de laboratorio funcionando en modo continuo; (b) comparar el alcance y velocidad de la nitrificación terciara en función del modo de funcionamiento de un RBMA: batch (parte experimental nº 1) y en continuo (esta parte), (c) estimar la transferencia efectiva de oxígeno de las membranas en modo continuo mediante la evaluación del consumo de oxígeno en nitrificación. Este último objetivo permitiría una comparación objetiva de la transferencia de oxígeno con el modo batch de funcionamiento del RBMA (parte 1ª), y (d) evaluar la cinética de la nitrificación en función de la carga de NTK y de la concentración de amonio.

4º) Estudio de la eliminación simultánea de materia orgánica y nitrógeno en un RBMA de laboratorio en modo continuo.

En esta última parte, los objetivos fueron: (a) evaluar la eliminación de materia orgánica y nitrógeno de un agua residual sintética en un RBMA a escala de laboratorio con funcionamiento en modo continuo; (b) comparar el alcance y velocidad de los procesos de eliminación de materia orgánica y de la nitrificación en función del modo de funcionamiento de un RBMA: batch (parte experimental nº 2) y en continuo (esta parte).

Para las fases 3 y 4 se construyó un RBMA a escala de laboratorio (14.2 litros) con un módulo de membranas tubulares constituido por el mismo material del reactor a escala piloto. Se diseñó el RBMA de laboratorio como un modelo reducido del RBMA a escala piloto.

Otro objetivo general en cada parte, fue la observación de las características organolépticas de las diferentes biopelículas que se desarrollaron (cuatro biopelículas). En el caso de la cuarta biopelícula, también fue un objetivo medir su espesor y concentración.

En todas las partes experimentales se insufló aire a una presión inferior al punto de burbuja de las membranas empleadas para evitar el burbujeo de gas en la superficie de la membrana.

Excepto en el estudio nº 2, se trabajó sin agitación del seno líquido, en régimen laminar, porque otro objetivo común de los estudios, fue evaluar la viabilidad de la aplicación de los RBMA como tratamiento biológico de aguas residuales domésticas de aglomeraciones pequeñas en Galicia, por lo que se requería trabajar con el menor consumo de energía posible y con el mínimo de equipos mecánicos.