Diseño óptimo de procesos biorreactor de membrana para la eliminación de nutrientes en aguas residuales urbanas

Resumo

El proceso MBR consiste en un proceso de biomasa en suspensión donde los decantadores típicos de fangos activos son sustituidos por módulos de membrana, lo cual permite operar con concentraciones de sólidos suspendidos totales (SST) altos (10-15 g/l).En su aplicación a aguas urbanas se emplean membranas sumergidas en tanque específico o integradas en el reactor aerobio. La bibliografía muestra que la aplicación habitual del proceso MBR ha sido en plantas nuevas y poblaciones relativamente pequeñas. Estas plantas han sido diseñadas con agua bruta y sin unidad separada para la digestión anaerobia de fangos, siendo necesario estabilizar el fango en el mismo proceso y por tanto, diseñar y operar con SRT altos. Como consecuencia, el dimensionamiento tanto de las zonas anóxicas y aerobias como de las recirculaciones es muy diverso, sin necesidad de optimización.En el nuevo escenario de aplicación de procesos MBR a plantas medianas-grandes, tanto existentes como nuevas, parece ser conveniente plantear al igual que con procesos de fangos activos, diseños con SRT y HRT lo más bajos posibles para alcanzar unos requerimientos determinados en el efluente, en los cuales se requiere optimización. Por ello, el objetivo general de esta tesis ha sido delimitar mediante experimentación y simulación las claves del diseño óptimo del proceso MBR con membranas planas en tanque separado y operando con SRT mínimo, comparándolo con el proceso integrado y aplicación habitual (SRT altos) y culminar con criterios de diseño y procedimiento de diseño por simulación. El estudio experimental se llevó a cabo en planta piloto de 3,25 m3, ubicada en una EDAR de Madrid. Se empleó una variante de la configuración UCT donde el módulo de membranas planas (Kubota) se disponía en tanque específico. Los resultado de la experimentación, fundamentalmente con agua decantada y su satisfactoria simulación revelaron que, para unos requerimientos en el efluente de nitrógeno total, si se trataba de minimizar el HRT total con una operación óptima de la nitrificación y de la desnitrificación, el amonio efluente se tenía que mantener entre 1-5 mg/l y que el oxígeno disuelto del tanque membrana (ODMB) era menor que 2 mg/l y que éste venía determinado por la KLa del tanque membrana (KLaMB) y por el nivel de SST de dicho tanque. Sin embargo, una evaluación cuantitativa y desacoplada de los efectos de los datos y parámetros de partida en el diseño óptimo con SRT mínimo requería de un estudio sistemático de simulaciones. Este estudio sistemático de simulaciones se realizó empleando una herramienta de optimización matemática desarrollada en el CEIT, que combina la resolución estacionaria (con modelo ASM2d) junto con un algoritmo que persigue minimizar el HRT total. De este estudio se concluyó que, por un lado, el proceso MBR integrado con membranas planas y empleando agua bruta presenta limitaciones para su aplicación con SRT mínimo, ya que la KLaAE toma valores altos, acentuándose dicha limitación con agua decantada. Por otro lado, en el proceso MBR separado con SRT altos, se confirmó que el N-NH4 efluente resulta en valores bajos (<1 mg/l) y el ODMB toma valores altos (>2 mg/l).Sin embargo, el diseño óptimo para SRT mínimo (con cualquiera de los parámetros de partida) conduce a N-NH4 efluente entre 1-2 mg/l y ODMB menor de 2 mg/l, promoviendo nitrificación-desnitrificación simultánea en el tanque membrana. Los parámetros de partida afectan al ODMB y por tanto, a las fracciones volumétricas de los reactores anóxico y aerobio. Por último, se considera que los procedimientos de diseño basados en ecuaciones algebraicas empleados en procesos de fangos activos son válidos para el proceso MBR integrado y el separado (con SRT altos).No obstante, para el diseño óptimo del proceso MBR separado con SRT mínimo, se requiere de simulaciones dinámicas, para lo cual se ha desarrollado un procedimiento iterativo basado en los criterios de diseño deducidos a partir del estudio sistemático.