Los biorreactores de membrana son combinaciones de procesos de membrana como la microfiltración o la ultrafiltración con un proceso de tratamiento biológico de aguas residuales , el proceso de lodos activados . Estas tecnologías ahora se utilizan ampliamente para el tratamiento de aguas residuales municipales e industriales . [1] Las dos configuraciones básicas de biorreactor de membrana son el biorreactor de membrana sumergido y el biorreactor de membrana de corriente lateral. [2] En la configuración sumergida, la membrana se encuentra dentro del reactor biológico y sumergida en las aguas residuales, mientras que en un biorreactor de membrana de corriente lateral, la membrana se encuentra fuera del reactor como un paso adicional después del tratamiento biológico.
La escasez de agua ha impulsado los esfuerzos para reutilizar las aguas residuales una vez que han sido tratadas adecuadamente, lo que se conoce como “ recuperación de agua ” (también llamada reutilización de aguas residuales , reutilización de agua o reciclaje de agua ). Entre las tecnologías de tratamiento disponibles para recuperar aguas residuales , los procesos de membranas destacan por su capacidad para retener sólidos y sales e incluso para desinfectar el agua, produciendo agua apta para su reutilización en riego y otras aplicaciones.
Una membrana semipermeable es un material que permite el flujo selectivo de determinadas sustancias. En el caso de la purificación o regeneración de agua, el objetivo es permitir que el agua fluya a través de la membrana reteniendo partículas indeseables en el lado de origen. Al variar el tipo de membrana, es posible obtener una mejor retención de contaminantes de diferentes tipos. Algunas de las características requeridas en una membrana para el tratamiento de aguas residuales son la resistencia química y mecánica durante cinco años de funcionamiento y la capacidad de operar de forma estable en un amplio rango de pH [3] .
Existen dos tipos principales de materiales de membrana disponibles en el mercado: membranas poliméricas de base orgánica y membranas cerámicas. Las membranas poliméricas son los materiales más utilizados en el tratamiento de agua y aguas residuales. En particular, el difluoruro de polivinilideno (PVDF) es el material más común debido a su larga vida útil y resistencia química y mecánica. [3]
Cuando se utilizan con aguas residuales domésticas , los procesos de biorreactores de membrana pueden producir efluentes de calidad suficiente para su descarga en océanos, superficies, cuerpos salobres o vías fluviales de riego urbano. Otras ventajas de los biorreactores de membrana con respecto a los procesos convencionales incluyen una huella de carbono reducida y una modernización más sencilla.
Es posible operar procesos de biorreactores de membrana a concentraciones más altas de sólidos suspendidos en licor mixto en comparación con los sistemas de separación de sedimentación convencionales, reduciendo así el volumen del reactor para lograr la misma tasa de carga.
Las recientes innovaciones técnicas y la importante reducción de los costes de las membranas han permitido que los biorreactores de membrana se conviertan en una opción de proceso establecida para tratar las aguas residuales. [1] Los biorreactores de membrana se han convertido en una opción atractiva para el tratamiento y la reutilización de las aguas residuales industriales y municipales, como lo demuestra su constante aumento en número y capacidad. Se estimó que el mercado actual de biorreactores de membrana valía alrededor de 216 millones de dólares en 2006 [4] y 838,2 millones de dólares en 2011, lo que confirma las proyecciones de que el mercado de biorreactores de membrana estaba creciendo a una tasa media del 22,4% y alcanzaría un tamaño de mercado de 3.440 millones de dólares en 2018. [5]
Se espera que el mercado mundial de biorreactores de membrana crezca en el futuro cercano debido a varias fuerzas impulsoras, por ejemplo, la creciente escasez de agua en todo el mundo, que hace que la recuperación de aguas residuales sea más rentable; esto probablemente se verá agravado aún más por el continuo cambio climático. [6] Las crecientes preocupaciones ambientales sobre la eliminación de aguas residuales industriales junto con la disminución de los recursos de agua dulce en las economías en desarrollo también explican la creciente demanda de tecnología de biorreactores de membrana. El crecimiento de la población, la urbanización y la industrialización complicarán aún más las perspectivas comerciales. [7]
Sin embargo, las elevadas inversiones iniciales y los elevados gastos operativos pueden obstaculizar el mercado mundial de biorreactores de membrana. Además, es probable que las limitaciones tecnológicas, en particular los costos recurrentes de la contaminación de las membranas, dificulten la adopción de la producción. Se prevé que los avances en materia de investigación y desarrollo en curso para aumentar la producción y minimizar la formación de lodos impulsen el crecimiento de la industria. [5]
Los biorreactores de membrana se pueden utilizar para reducir la huella de carbono de un sistema de tratamiento de aguas residuales con lodos activados eliminando algunos de los componentes líquidos del licor mezclado. Esto deja un producto residual concentrado que luego se trata mediante el proceso de lodos activados .
Estudios recientes muestran la oportunidad de utilizar nanomateriales para la realización de biorreactores de membrana más eficientes y sostenibles para el tratamiento de aguas residuales. [8]
Los biorreactores de membrana se introdujeron a finales de los años 60, poco después de que las membranas de ultrafiltración y microfiltración a escala comercial estuvieran disponibles. Los diseños originales fueron introducidos por Dorr-Oliver Inc. y combinaban el uso de un biorreactor de lodos activados con un circuito de filtración de membrana de flujo cruzado. Las membranas de lámina plana utilizadas en este proceso eran poliméricas y presentaban tamaños de poro que iban desde 0,003 a 0,01 μm. Aunque la idea de reemplazar el tanque de sedimentación del proceso convencional de lodos activados era atractiva, era difícil justificar el uso de un proceso de este tipo debido al alto costo de las membranas, el bajo valor económico del producto (efluente terciario) y, a veces, las rápidas pérdidas de rendimiento debido al ensuciamiento de las membranas. Como resultado, el enfoque inicial del diseño se centró en la obtención de flujos altos y, por lo tanto, fue necesario bombear el licor mezclado y sus sólidos suspendidos a alta velocidad de flujo cruzado con una demanda de energía significativa (del orden de 10 kWh/m3 de producto) para reducir el ensuciamiento. Debido a la baja rentabilidad de los dispositivos de primera generación, sólo encontraron aplicaciones en áreas específicas con necesidades especiales, como parques de caravanas aislados o estaciones de esquí.
El siguiente gran avance para el biorreactor de membrana llegó en 1989 con la introducción de configuraciones de biorreactor de membrana sumergidas. Hasta entonces, los biorreactores de membrana se diseñaban con un dispositivo de separación ubicado en el exterior del reactor (biorreactores de membrana de corriente lateral) y dependían de una alta presión transmembrana para mantener la filtración. La configuración sumergida aprovecha la aireación de burbujas gruesas para producir mezcla y limitar la incrustación. La demanda de energía del sistema sumergido puede ser hasta 2 órdenes de magnitud menor que la de los sistemas de corriente lateral y los sistemas sumergidos operan a un flujo menor, lo que requiere más área de membrana. En configuraciones sumergidas, la aireación se considera uno de los principales parámetros en el rendimiento del proceso tanto hidráulico como biológico. La aireación mantiene los sólidos en suspensión, limpia la superficie de la membrana y proporciona oxígeno a la biomasa, lo que conduce a una mejor biodegradabilidad y síntesis celular. Los sistemas de biorreactor de membrana sumergidos se volvieron preferidos a las configuraciones de corriente lateral, especialmente para el tratamiento de aguas residuales domésticas.
Los siguientes pasos clave en el desarrollo de biorreactores de membrana fueron la aceptación de flujos modestos (25 por ciento o menos de los de la primera generación) y la idea de utilizar flujo bifásico (burbujeante) para controlar las incrustaciones. El menor costo operativo obtenido con la configuración sumergida junto con la disminución constante del costo de la membrana condujo a un aumento exponencial en las instalaciones de plantas de biorreactores de membrana desde mediados de la década de 1990. Desde entonces, se han introducido e incorporado mejoras adicionales en el diseño y el funcionamiento de los biorreactores de membrana en plantas más grandes. Si bien los dispositivos anteriores funcionaban con tiempos de retención de sólidos de hasta 100 días con sólidos suspendidos en licor mixto de hasta 30 g/L, la tendencia reciente es aplicar tiempos de retención de sólidos más bajos (alrededor de 10 a 20 días), lo que da como resultado niveles de sólidos suspendidos más manejables (10 a 15 g/L). Gracias a estas nuevas condiciones operativas, la transferencia de oxígeno y el costo de bombeo en los reactores han tendido a disminuir y el mantenimiento general se ha simplificado. Actualmente, existe una variedad de sistemas de biorreactores de membrana disponibles comercialmente, la mayoría de los cuales utilizan membranas sumergidas, aunque también se encuentran disponibles algunos módulos de flujo lateral; estos sistemas de flujo lateral también utilizan flujo de dos fases para el control de las incrustaciones. Los tiempos de retención hidráulica típicos varían entre 3 y 10 horas. En su mayor parte, se utilizan configuraciones de membranas de lámina plana y de fibra hueca en aplicaciones de biorreactores de membrana. [9]
A pesar del uso de energía más favorable de las membranas sumergidas, siguió existiendo un mercado para la configuración de flujo lateral, en particular en aplicaciones industriales de menor caudal. Para facilitar el mantenimiento, las configuraciones de flujo lateral se pueden instalar en un nivel inferior en un edificio de la planta y, por lo tanto, se puede realizar el reemplazo de membranas sin equipo de elevación especializado. Como resultado, la investigación y el desarrollo han seguido mejorando las configuraciones de flujo lateral y esto ha culminado en los últimos años con el desarrollo de sistemas de bajo consumo de energía que incorporan un control más sofisticado de los parámetros operativos junto con retrolavados periódicos, lo que permite un funcionamiento sostenible con un consumo de energía tan bajo como 0,3 kWh/m3 de producto.
En la configuración del Biorreactor de Membrana Inmerso (iMBR), el elemento de filtración se instala en el recipiente principal del biorreactor o en un tanque separado. Los módulos se colocan sobre el sistema de aireación y cumplen dos funciones: el suministro de oxígeno y la limpieza de las membranas. Las membranas pueden ser de lámina plana o tubulares o una combinación de ambas y pueden incorporar un sistema de retrolavado en línea que reduce el ensuciamiento de la superficie de la membrana al bombear el permeado de la membrana de regreso a través de la membrana. En sistemas donde las membranas están en un tanque separado del biorreactor, se pueden aislar trenes individuales de membranas para realizar regímenes de limpieza que incorporen remojos de membrana; sin embargo, la biomasa debe bombearse continuamente de regreso al reactor principal para limitar los aumentos de concentración de sólidos suspendidos en el licor mixto. También se requiere aireación adicional para proporcionar limpieza con aire para reducir el ensuciamiento. Cuando las membranas se instalan en el reactor principal, los módulos de membrana se retiran del recipiente y se transfieren a un tanque de limpieza fuera de línea. [11] Por lo general, la configuración interna/sumergida se utiliza para aplicaciones de menor resistencia a mayor escala. [12] Para optimizar el volumen del reactor y minimizar la producción de lodos, los sistemas de biorreactores de membrana sumergida suelen funcionar con concentraciones de sólidos suspendidos en licor mixto comprendidas entre 12000 mg/L y 20000 mg/L, por lo que ofrecen una buena flexibilidad en la selección del tiempo de retención de lodos de diseño. Es obligatorio tener en cuenta que un contenido excesivamente alto de sólidos suspendidos en licor mixto puede hacer que el sistema de aireación sea menos efectivo; la solución clásica a este problema de optimización es asegurar una concentración de sólidos suspendidos en licor mixto que se acerque a 10.000 mg/L para garantizar una buena transferencia de masa de oxígeno con un buen flujo de permeación. Este tipo de solución es ampliamente aceptada en unidades de mayor escala, donde normalmente se utiliza la configuración interna/sumergida, debido al mayor costo relativo de la membrana en comparación con el volumen adicional del tanque requerido. [13]
El MBR sumergido ha sido la configuración preferida debido a su bajo nivel de consumo de energía, alta eficiencia de biodegradación y baja tasa de ensuciamiento en comparación con los biorreactores de membrana de corriente lateral. Además, los sistemas iMBR pueden manejar concentraciones más altas de sólidos suspendidos, mientras que los sistemas tradicionales funcionan solo con concentraciones de sólidos suspendidos entre 2,5 y 3,5, el iMBR puede manejar concentraciones entre 4 y 12 g/L, un aumento en el rango del 300%. Este tipo de configuración se adopta en sectores industriales que incluyen textiles, alimentos y bebidas, petróleo y gas, minería, generación de energía, pulpa y papel. [14]
En la tecnología de biorreactor de membrana de corriente lateral, los módulos de filtración se encuentran fuera del tanque aeróbico, de ahí el nombre de configuración de corriente lateral. Al igual que en la configuración sumergida, el sistema de aireación también se utiliza para limpiar y suministrar oxígeno a las bacterias que degradan los compuestos orgánicos. La biomasa se bombea directamente a través de varios módulos de membrana en serie y de regreso al biorreactor o se bombea a un banco de módulos, desde donde una segunda bomba hace circular la biomasa a través de los módulos en serie. La limpieza y el remojo de las membranas se pueden realizar in situ con el uso de un tanque de limpieza, una bomba y tuberías instalados. La calidad del producto final es tal que se puede reutilizar en aplicaciones de proceso debido a la capacidad de filtración de las membranas de microfiltración y ultrafiltración.
Generalmente, la configuración de corriente externa/lateral se utiliza para aplicaciones de menor escala y mayor resistencia; la principal ventaja que presenta la configuración de corriente externa/lateral es la posibilidad de diseñar y dimensionar el tanque y la membrana por separado, con ventajas prácticas para la operación y el mantenimiento de la unidad. Al igual que en otros procesos de membrana, se necesita un esfuerzo cortante sobre la superficie de la membrana para prevenir o limitar el ensuciamiento; la configuración de corriente externa/lateral proporciona este esfuerzo cortante utilizando un sistema de bombeo, mientras que la configuración interna/sumergida proporciona el esfuerzo cortante a través de la aireación en el biorreactor, y existe un requerimiento de energía para promover el esfuerzo cortante mediante el bombeo. En esta configuración el ensuciamiento es más consistente debido a los mayores flujos involucrados. [15]
El rendimiento de la filtración con biorreactores de membrana disminuye inevitablemente con el tiempo de filtración debido a la deposición de materiales solubles y particulados sobre y dentro de la membrana, atribuible a las interacciones entre los componentes del lodo activado y la membrana. Este importante inconveniente y limitación del proceso ha sido objeto de investigación desde los primeros biorreactores de membrana y sigue siendo uno de los problemas más desafiantes que enfrenta el desarrollo futuro. [16] [17]
El ensuciamiento es el proceso por el cual las partículas (partículas coloidales, macromoléculas de soluto) se depositan o adsorben sobre la superficie de la membrana o los poros por interacciones físicas y químicas o por acción mecánica. Esto produce una reducción del tamaño o el bloqueo de los poros de la membrana.
El ensuciamiento de las membranas puede causar caídas graves de flujo y afectar la calidad del agua producida. El ensuciamiento grave puede requerir una limpieza química intensa o el reemplazo de la membrana. [18] Esto aumenta los costos operativos de una planta de tratamiento. Tradicionalmente se ha pensado que el ensuciamiento de las membranas ocurre a través de cuatro mecanismos: 1) bloqueo completo de los poros, 2) bloqueo estándar, 3) bloqueo intermedio y 4) formación de una capa de torta. [2] Hay varios tipos de ensuciadores: biológicos (bacterias, hongos), coloidales (arcillas, flóculos), incrustaciones (precipitados minerales) y orgánicos (aceites, polielectrolitos, húmicos).
El ensuciamiento de la membrana se puede solucionar permitiendo una disminución del flujo de permeación mientras se mantiene constante la presión transmembrana o aumentando la presión transmembrana para mantener el flujo constante. La mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales funcionan en modo de flujo constante y, por lo tanto, los fenómenos de ensuciamiento generalmente se rastrean a través de la variación de la presión transmembrana con el tiempo. En revisiones recientes que cubren aplicaciones de membranas en biorreactores, se ha demostrado que, al igual que con otros procesos de separación por membrana, el ensuciamiento de la membrana es el problema más grave que afecta el rendimiento del sistema. El ensuciamiento conduce a un aumento significativo de la resistencia hidráulica, que se manifiesta como una disminución del flujo de permeación o un aumento de la presión transmembrana cuando el proceso funciona en condiciones de presión transmembrana constante o flujo constante respectivamente. [19] En sistemas donde el flujo se mantiene aumentando la presión transmembrana, aumenta la energía necesaria para lograr la filtración. La limpieza frecuente de la membrana es una alternativa que aumenta significativamente los costos operativos como resultado de los costos adicionales del agente de limpieza, el tiempo de inactividad de la producción adicional y el reemplazo más frecuente de la membrana.
El ensuciamiento de las membranas es el resultado de la interacción entre el material de la membrana y los componentes del licor de lodos activados, que incluyen flóculos biológicos formados por una amplia gama de microorganismos vivos o muertos junto con compuestos solubles y coloidales. La biomasa suspendida no tiene una composición fija y varía con la composición del agua de alimentación y las condiciones de funcionamiento del reactor. Por lo tanto, aunque se han publicado muchas investigaciones sobre el ensuciamiento de las membranas, la diversa gama de condiciones de funcionamiento y matrices de agua de alimentación empleadas, los diferentes métodos analíticos utilizados y la información limitada reportada en la mayoría de los estudios sobre la composición de la biomasa suspendida, han hecho que sea difícil establecer un comportamiento genérico relacionado con el ensuciamiento de las membranas en biorreactores de membrana específicamente.
El flujo cruzado inducido por aire en biorreactores de membrana sumergidos puede eliminar de manera eficiente o al menos reducir la capa de suciedad en la superficie de la membrana. Una revisión reciente informa los últimos hallazgos sobre las aplicaciones de la aireación en la configuración de membrana sumergida y describe los beneficios de rendimiento del burbujeo de gas. [17] La elección de la tasa de aireación es un parámetro clave en el diseño de biorreactores de membrana sumergidos, ya que generalmente existe una tasa de flujo de aire óptima más allá de la cual mayores aumentos en la aireación no tienen beneficios para prevenir la suciedad.
Se pueden aplicar muchas otras estrategias antiincrustantes en aplicaciones de biorreactores de membrana. Entre ellas se incluyen, por ejemplo:
Además, también se pueden recomendar diferentes tipos e intensidades de limpieza química en programas típicos:
También se puede llevar a cabo una limpieza intensiva cuando no se puede mantener una mayor filtración debido a una presión transmembrana elevada. Cada uno de los cuatro proveedores de biorreactores de membrana Kubota, Evoqua, Mitsubishi y GE Water tienen sus propias recetas de limpieza química; estas difieren principalmente en términos de concentración y métodos (ver Tabla 1). En condiciones normales, los agentes de limpieza predominantes son NaOCl ( hipoclorito de sodio ) y ácido cítrico . Es común que los proveedores de biorreactores de membrana adapten protocolos específicos para limpiezas químicas (es decir, concentraciones químicas y frecuencias de limpieza) para instalaciones individuales. [9]
Simplemente debido a la gran cantidad de microorganismos en los biorreactores de membrana, las tasas de absorción de contaminantes pueden aumentar. Esto conduce a una mejor degradación en un lapso de tiempo determinado o a volúmenes de reactor requeridos más pequeños. En comparación con los tratamientos de proceso de lodos activados convencionales que normalmente logran una eliminación del 95 por ciento, la eliminación se puede aumentar al 96 a 99 por ciento en los biorreactores de membrana (ver tabla, [21] ). Se ha descubierto que la eliminación de la demanda química de oxígeno ( DQO ) y la demanda biológica de oxígeno ( DBO5 ) aumenta con la concentración de sólidos suspendidos en el licor mixto. Por encima de 15 g/L, la eliminación de DQO se vuelve casi independiente de la concentración de biomasa a >96 por ciento. [22] Sin embargo, no se emplean concentraciones arbitrarias altas de sólidos suspendidos, para que la transferencia de oxígeno no se vea impedida debido a una mayor viscosidad y efectos de viscosidad no newtoniana . La cinética también puede diferir debido a un acceso más fácil al sustrato. En el tratamiento típico del proceso de lodos activados, los flóculos pueden alcanzar varios 100 μm de tamaño. Esto significa que el sustrato puede alcanzar los sitios activos solo por difusión, lo que causa una resistencia adicional y limita la velocidad de reacción general (controlada por difusión). El estrés hidrodinámico en los biorreactores de membrana reduce el tamaño de los flóculos (a 3,5 μm en configuraciones de corriente lateral) y, por lo tanto, aumenta la velocidad de reacción efectiva. Al igual que en el proceso de lodos activados convencional, el rendimiento de lodos disminuye a mayores tiempos de retención de sólidos o concentraciones de biomasa. Se produce poco o nada de lodo a tasas de carga de lodos de 0,01 kg DQO/(kg MLS d). [23] Debido al límite de concentración de biomasa impuesto, tasas de carga tan bajas darían como resultado tamaños de tanque enormes o tiempos de residencia hidrodinámicos prolongados en los procesos de lodos activados convencionales.
La eliminación de nutrientes es una de las principales preocupaciones en el tratamiento moderno de aguas residuales , especialmente, en áreas sensibles a la eutrofización . El nitrógeno (N) es un contaminante presente en las aguas residuales que debe eliminarse por múltiples razones: reduce el oxígeno disuelto en las aguas superficiales, es tóxico para el ecosistema acuático , supone un riesgo para la salud pública y, junto con el fósforo (P), son responsables del crecimiento excesivo de organismos fotosintéticos como las algas. Todos estos factores hacen que su reducción se centre en el tratamiento de aguas residuales. En las aguas residuales, el nitrógeno puede estar presente en múltiples formas. Al igual que en el proceso convencional de lodos activados, actualmente, la tecnología más aplicada para la eliminación de N de las aguas residuales municipales es la nitrificación combinada con la desnitrificación , realizada por bacterias nitrificantes y la participación de organismos facultativos. Además de la precipitación de fósforo, se puede implementar una eliminación biológica mejorada de fósforo que requiere un paso de proceso anaeróbico adicional. Algunas características de la tecnología de biorreactores de membrana hacen que la remoción biológica mejorada de fósforo en combinación con la post-desnitrificación sea una alternativa atractiva que logra concentraciones muy bajas de nutrientes en el efluente. [22] Para esto, un biorreactor de membrana mejora la retención de sólidos, lo que proporciona un mejor biotratamiento, apoyando el desarrollo de microorganismos de crecimiento más lento, especialmente los nitrificantes, por lo que los hace especialmente efectivos en la eliminación de N (nitrificación).
Los biorreactores anaeróbicos de membrana (a veces abreviados como AnMBR) se introdujeron en la década de 1980 en Sudáfrica. Sin embargo, los procesos anaeróbicos se utilizan normalmente cuando se requiere un tratamiento de bajo costo que permita la recuperación de energía pero no logre un tratamiento avanzado (baja eliminación de carbono , ninguna eliminación de nutrientes). Por el contrario, las tecnologías basadas en membranas permiten un tratamiento avanzado (desinfección), pero a un alto costo energético. Por lo tanto, la combinación de ambos solo puede ser económicamente viable si se desea un proceso compacto para la recuperación de energía, o cuando se requiere una desinfección después del tratamiento anaeróbico (casos de reutilización de agua con nutrientes). Si se desea una recuperación máxima de energía, un solo proceso anaeróbico siempre será superior a una combinación con un proceso de membrana.
Recientemente, los biorreactores anaeróbicos de membrana han tenido una aplicación exitosa a gran escala para el tratamiento de algunos tipos de aguas residuales industriales, típicamente desechos de alta concentración. Ejemplos de aplicaciones incluyen el tratamiento de aguas residuales de destilación de alcohol en Japón [24] y el tratamiento de aguas residuales de aderezos para ensaladas y salsa de barbacoa en los Estados Unidos. [25]
Al igual que en cualquier otro reactor, la hidrodinámica (o mezcla) dentro de un biorreactor de membrana desempeña un papel importante a la hora de determinar la eliminación de contaminantes y el control de las incrustaciones dentro del sistema. Tiene un efecto sustancial en el uso de energía y los requisitos de tamaño, y por lo tanto, el coste total de vida de un biorreactor de membrana es alto.
La eliminación de contaminantes está muy influenciada por el tiempo que los elementos fluidos pasan en el biorreactor de membrana (es decir, la distribución del tiempo de residencia ). La distribución del tiempo de residencia es una descripción de la hidrodinámica de la mezcla en el sistema y está determinada por el diseño del reactor (por ejemplo, tamaño, caudales de entrada/reciclado, posicionamiento de la pared/deflector/mezclador/aireador, entrada de energía de mezcla). Un ejemplo del efecto de la mezcla es que un reactor continuo de tanque agitado no tendrá una conversión de contaminantes tan alta por unidad de volumen de reactor como un reactor de flujo pistón .
El control de la formación de incrustaciones, como se mencionó anteriormente, se logra principalmente mediante la aireación con burbujas gruesas. La distribución de las burbujas alrededor de las membranas, la fuerza de corte en la superficie de la membrana para la eliminación de la torta y el tamaño de la burbuja están muy influenciados por la hidrodinámica del sistema. La mezcla dentro del sistema también puede influir en la producción de posibles incrustaciones. Por ejemplo, los recipientes que no están completamente mezclados (es decir, los reactores de flujo de tapón) son más susceptibles a los efectos de las cargas de choque que pueden causar lisis celular y liberación de productos microbianos solubles.
Muchos factores afectan la hidrodinámica de los procesos de aguas residuales y, por lo tanto, de los biorreactores de membrana. Estos van desde las propiedades físicas (por ejemplo, la reología de la mezcla y la densidad de gas/líquido/sólido, etc.) hasta las condiciones límite del fluido (por ejemplo, los caudales de entrada/salida/reciclado, la posición del deflector/mezclador, etc.). Sin embargo, algunos factores son propios de los biorreactores de membrana y estos incluyen el diseño del tanque de filtración (por ejemplo, el tipo de membrana, las múltiples salidas atribuidas a las membranas, la densidad de empaquetamiento de la membrana, la orientación de la membrana, etc.) y su funcionamiento (por ejemplo, la relajación de la membrana, el retrolavado de la membrana, etc.).
Las técnicas de diseño y modelado de la mezcla aplicadas a los biorreactores de membrana son muy similares a las utilizadas para los sistemas de lodos activados convencionales. Incluyen la técnica de modelado compartimental relativamente rápida y sencilla que solo derivará la distribución del tiempo de residencia de un proceso (por ejemplo, el reactor) o una unidad de proceso (por ejemplo, el recipiente de filtración de membrana) y que se basa en supuestos generales de las propiedades de mezcla de cada subunidad. El modelado de dinámica de fluidos computacional , por otro lado, no se basa en supuestos generales sobre las características de la mezcla y, en cambio, intenta predecir la hidrodinámica desde un nivel fundamental. Es aplicable a todas las escalas de flujo de fluidos y puede revelar mucha información sobre la mezcla en un proceso, que va desde la distribución del tiempo de residencia hasta el perfil de cizallamiento en una superficie de membrana. En la imagen se muestra una visualización de dichos resultados de modelado.
Se han realizado investigaciones sobre la hidrodinámica de los biorreactores de membrana en muchas escalas diferentes, que van desde el examen de la tensión de corte en la superficie de la membrana hasta el análisis de la distribución del tiempo de residencia para un biorreactor de membrana completo. Cui et al. (2003) [17] investigaron el movimiento de las burbujas de Taylor [27] [28] [29] [30] a través de membranas tubulares. Khosravi, M. (2007) [31] examinaron un recipiente de filtración de membrana completo utilizando CFD y mediciones de velocidad. Brannock et al. (2007) [32] examinaron un sistema MBR completo utilizando experimentos de estudio de trazadores y análisis RTD.
Algunas de las ventajas que ofrecen los biorreactores de membrana son las siguientes. [33]
El mercado de biorreactores de membrana está segmentado según el tipo de usuario final, como usuarios municipales e industriales, y la geografía del usuario final, por ejemplo, Europa, Medio Oriente y África (EMEA), Asia-Pacífico (APAC) y las Américas. [34]
En esta línea, en 2016, algunos estudios e informes mostraron que la región APAC tomó la delantera en términos de participación de mercado, con un 41,90%. Por otro lado, la participación de mercado de la región EMEA es de aproximadamente el 31,34% y las Américas constituyen el 26,67% del mercado. [34]
La región de Asia Pacífico tiene el mayor mercado de biorreactores de membrana. Las economías en desarrollo como India, China, Indonesia y Filipinas son importantes contribuyentes al crecimiento de esta región de mercado. La región de Asia Pacífico se considera una de las más propensas a desastres del mundo: en 2013, miles de personas murieron a causa de desastres relacionados con el agua en la región, lo que representa nueve décimas partes de las muertes relacionadas con el agua a nivel mundial. Además de esto, el sistema público de suministro de agua en la región no está tan desarrollado en comparación con otros países como Estados Unidos, Canadá, los países de Europa, etc. [34]
El mercado de biorreactores de membrana en la región EMEA ha experimentado un crecimiento estable. Países como Arabia Saudita, Emiratos Árabes Unidos, Kuwait, Argelia, Turquía y España son los principales contribuyentes a esa tasa de crecimiento. La escasez de agua limpia y fresca es el factor clave de la creciente demanda de tecnologías de tratamiento de agua eficientes. En este sentido, la mayor conciencia sobre el tratamiento del agua y el agua potable segura también está impulsando el crecimiento. [34]
En definitiva, la región de las Américas ha sido testigo de una gran demanda de países como Estados Unidos, Canadá, Antigua, Argentina, Brasil y Chile. El mercado de los biorreactores de membrana ha crecido debido a la aplicación estricta de normas para la descarga segura de aguas residuales. La demanda de esta tecnología emergente proviene principalmente de las industrias farmacéutica, de alimentos y bebidas, automotriz y química. [34]
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