Los biorreactores de membrana son combinaciones de algunos 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 se utilizan ahora 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 está ubicada dentro del reactor biológico y sumergida en las aguas residuales, mientras que en un biorreactor de membrana de corriente lateral, la membrana está ubicada fuera del reactor como un paso adicional después del tratamiento biológico.
La escasez de agua ha impulsado esfuerzos para reutilizar las aguas residuales una vez que han sido tratadas adecuadamente, lo que se conoce como " regeneración 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 , destacan los procesos de membranas por su capacidad de retener sólidos y sales e incluso 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. Variando el tipo de membrana es posible conseguir una mejor retención de contaminantes de diferente índole. Algunas de las características requeridas en una membrana para el tratamiento de aguas residuales son resistencia química y mecánica durante cinco años de operación y capacidad para operar de manera estable en un amplio rango de pH [3] .
Hay 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 aguas y aguas residuales. En particular, el difluoruro de polivinilideno (PVDF) es el material más frecuente debido a su larga vida útil y resistencia química y mecánica. [3]
Cuando se utilizan con aguas residuales domésticas , los procesos de biorreactor de membrana pueden producir efluentes de calidad suficientemente alta para descargarlos en los océanos, las superficies, los cuerpos salobres o las vías fluviales de riego urbano. Otras ventajas de los biorreactores de membrana sobre los procesos convencionales incluyen una huella reducida y una adaptación más sencilla.
Es posible operar procesos de biorreactor de membrana a concentraciones más altas de sólidos suspendidos de licor mixto en comparación con los sistemas de separación por asentamiento convencionales, reduciendo así el volumen del reactor para lograr la misma tasa de carga.
La innovación técnica reciente y la importante reducción del costo de las membranas han permitido que los biorreactores de membrana se conviertan en una opción de proceso establecida para tratar aguas residuales. [1] Los biorreactores de membrana se han convertido en una opción atractiva para el tratamiento y la reutilización de aguas residuales industriales y municipales, como lo demuestra su número y capacidad en constante aumento. 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 respalda las proyecciones de que el mercado de biorreactores de membrana estaba creciendo a una tasa promedio 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 un futuro próximo debido a diversas 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 demográfico, la urbanización y la industrialización complicarán aún más las perspectivas empresariales. [7]
Sin embargo, las elevadas inversiones iniciales y los gastos operativos pueden obstaculizar el mercado mundial de biorreactores de membrana. Además, es probable que las limitaciones tecnológicas, en particular los costos recurrentes del ensuciamiento de las membranas, obstaculicen la adopción de la producción. Se prevé que los avances continuos en investigación y desarrollo hacia el aumento de la producción y la minimización de la formación de lodos impulsen el crecimiento de la industria. [5]
Los biorreactores de membrana se pueden utilizar para reducir la huella de un sistema de tratamiento de aguas residuales de lodos activados eliminando algunos de los componentes líquidos del licor mezclado. Esto deja un producto de desecho 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 la década de 1960, poco después de que estuvieran disponibles las membranas de ultrafiltración y microfiltración a escala comercial . Los diseños originales fueron presentados por Dorr-Oliver Inc. y combinaban el uso de un biorreactor de lodos activados con un circuito de filtración por membrana de flujo cruzado. Las membranas de lámina plana utilizadas en este proceso eran poliméricas y presentaban tamaños de poro que oscilaban entre 0,003 y 0,01 µm. Aunque la idea de sustituir el tanque de sedimentación del proceso convencional de lodos activados era atractiva, era difícil justificar el uso de dicho proceso debido al alto coste de las membranas, el bajo valor económico del producto (efluente terciario) y, en ocasiones, la rápida Pérdidas de rendimiento debido al ensuciamiento de la membrana. Como resultado, el diseño inicial se centró en lograr altos flujos y, por lo tanto, era necesario bombear el licor mezclado y sus sólidos suspendidos a una alta velocidad de flujo cruzado con una demanda de energía significativa (del orden de 10 kWh/m 3 producto) para reducir la contaminación. Debido a la mala economía de los dispositivos de primera generación, sólo encontraron aplicaciones en áreas específicas con necesidades especiales, como parques de casas rodantes aislados o estaciones de esquí.
El siguiente avance para el biorreactor de membrana se produjo en 1989 con la introducción de configuraciones de biorreactor de membrana sumergida. Hasta entonces, los biorreactores de membrana se diseñaban con un dispositivo de separación ubicado externo al 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 contaminación. 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, exigiendo 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 biorreactores de membrana sumergida pasaron a ser preferidos a las configuraciones de corriente lateral, especialmente para el tratamiento de aguas residuales domésticas.
Los siguientes pasos clave en el desarrollo del biorreactor 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 de dos fases (burbujeante) para controlar la contaminación. El menor coste operativo obtenido con la configuración sumergida junto con la constante disminución del coste de las membranas llevaron a un aumento exponencial de las instalaciones de plantas de biorreactores de membranas desde mediados de los años 1990. Desde entonces, se han introducido e incorporado a plantas más grandes nuevas mejoras en el diseño y funcionamiento de los biorreactores de membrana. Mientras que los dispositivos anteriores funcionaban con tiempos de retención de sólidos de hasta 100 días con sólidos en suspensión de 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 sólidos en suspensión más manejables. niveles (10 a 15 g/L). Gracias a estas nuevas condiciones de operación, la transferencia de oxígeno y el coste de bombeo en los reactores han tendido a disminuir y se ha simplificado el mantenimiento general. Actualmente existe una variedad de sistemas de biorreactores de membrana disponibles comercialmente, la mayoría de los cuales utilizan membranas sumergidas, aunque se encuentran disponibles algunos módulos de corriente lateral; Estos sistemas de corriente lateral también utilizan un flujo de dos fases para el control de incrustaciones. Los tiempos típicos de retención hidráulica oscilan entre 3 y 10 horas. En su mayor parte, las configuraciones de membranas de fibra hueca y lámina plana se utilizan en aplicaciones de biorreactores de membrana. [9]
A pesar del uso de energía más favorable de las membranas sumergidas, seguía habiendo mercado para la configuración de corriente lateral, particularmente en aplicaciones industriales de flujo más pequeño. Para facilitar el mantenimiento, se pueden instalar configuraciones de corriente lateral en un nivel inferior en el edificio de una planta y, por lo tanto, el reemplazo de la membrana se puede realizar sin equipo de elevación especializado. Como resultado, la investigación y el desarrollo han continuado mejorando las configuraciones de la corriente lateral, y esto ha culminado en los últimos años con el desarrollo de sistemas de baja energía que incorporan un control más sofisticado de los parámetros operativos junto con retrolavados periódicos, que permiten una operación sustentable a energía. consumo tan bajo como 0,3 kWh/m3 de producto.
En la configuración del biorreactor de membrana sumergido (iMBR), el elemento de filtración se instala en el recipiente principal del biorreactor o en un tanque separado. Los módulos se sitúan encima del sistema de aireación, cumpliendo 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 nuevamente 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 llevar a cabo regímenes de limpieza que incorporen remojos de membranas; sin embargo, la biomasa debe bombearse continuamente de regreso al reactor principal para limitar los aumentos de concentración de sólidos suspendidos del licor mixto. . También se requiere aireación adicional para proporcionar aire depurado y reducir la contaminación. Cuando las membranas están instaladas en el reactor principal, los módulos de membranas 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 normalmente operan con concentraciones de sólidos en suspensión de licor mixto comprendidas entre 12000 mg/L y 20000 mg/L, por lo que ofrecen una buena flexibilidad en la selección del diseño. Tiempo de retención de lodos. Es obligatorio tener en cuenta que un contenido excesivamente elevado de sólidos en suspensión del licor mezclado puede hacer que el sistema de aireación sea menos eficaz; La solución clásica a este problema de optimización es asegurar una concentración de sólidos en suspensión del 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 usa 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 contaminación 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 textil, 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 están fuera del tanque aeróbico, de ahí el nombre de configuración de corriente lateral. Al igual que la configuración sumergida o 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 la biomasa 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 remojo de las membranas se puede realizar in situ con el uso de un tanque de limpieza, una bomba y tuberías instalados. La calidad del producto final es tal que puede ser reutilizado en aplicaciones de proceso debido a la capacidad de filtración de las membranas de micro y ultrafiltración.
Por lo general, la configuración de flujo externo/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. Como en otros procesos de membranas, se necesita un corte sobre la superficie de la membrana para prevenir o limitar la contaminación; la configuración de corriente externa/lateral proporciona este cizallamiento usando un sistema de bombeo, mientras que la configuración interna/sumergida proporciona el cizallamiento a través de aireación en el biorreactor, y existe un requisito de energía para promover el cizallamiento mediante bombeo. En esta configuración, la contaminación es más consistente debido a los mayores flujos involucrados. [15]
El rendimiento de la filtración del biorreactor de membrana inevitablemente disminuye 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 estado bajo investigación desde los primeros biorreactores de membrana y sigue siendo uno de los problemas más desafiantes que enfrenta un mayor desarrollo. [16] [17]
El ensuciamiento es el proceso por el cual las partículas (partículas coloidales, macromoléculas de soluto) se depositan o adsorben en la superficie o los poros de la membrana mediante interacciones físicas y químicas o acción mecánica. Esto produce una reducción del tamaño o bloqueo de los poros de la membrana.
La contaminación de la membrana puede provocar fuertes caídas de flujo y afectar la calidad del agua producida. Las incrustaciones graves pueden requerir una limpieza química intensa o el reemplazo de la membrana. [18] Esto aumenta los costes operativos de una planta de tratamiento. Tradicionalmente se ha pensado que el ensuciamiento de la membrana 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] Existen varios tipos de incrustaciones: biológicas (bacterias, hongos), coloidales (arcillas, flóculos), incrustantes (precipitados minerales) y orgánicas (aceites, polielectrolitos (húmicos).
El ensuciamiento de la membrana se puede solucionar permitiendo una disminución en el 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 incrustación generalmente se rastrean mediante la variación de la presión transmembrana con el tiempo. En revisiones recientes que cubren aplicaciones de membranas a biorreactores, se ha demostrado que, al igual que con otros procesos de separación de membranas, el ensuciamiento de las membranas es el problema más grave que afecta el rendimiento del sistema. La contaminación conduce a un aumento significativo en la resistencia hidráulica, que se manifiesta como una disminución del flujo de permeado o un aumento de la presión transmembrana cuando el proceso se opera bajo condiciones de presión transmembrana constante o de flujo constante, respectivamente. [19] En sistemas donde el flujo se mantiene aumentando la presión transmembrana, la energía requerida para lograr la filtración aumenta. La limpieza frecuente de las membranas es una alternativa que aumenta significativamente los costos operativos como resultado de los costos adicionales de los agentes de limpieza, el tiempo de inactividad adicional de la producción y el reemplazo más frecuente de las membranas.
El ensuciamiento de la membrana resulta de la interacción entre el material de la membrana y los componentes del licor de lodo activado, 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 según la composición del agua de alimentación y las condiciones operativas del reactor. Por lo tanto, aunque se han publicado muchas investigaciones sobre el ensuciamiento de las membranas, la diversa gama de condiciones operativas 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 dificultado el establecimiento de cualquier tipo de contaminación. Comportamiento genérico relacionado con el ensuciamiento de la membrana en biorreactores de membrana específicamente.
El flujo cruzado inducido por aire en biorreactores de membrana sumergida puede eliminar eficientemente o al menos reducir la capa de suciedad en la superficie de la membrana. Una revisión reciente informa los últimos hallazgos sobre aplicaciones de aireación en 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 del biorreactor de membrana sumergida, ya que generalmente existe una tasa de flujo de aire óptima más allá del cual mayores aumentos en la aireación no tienen beneficios para prevenir la contaminación.
Se pueden aplicar muchas otras estrategias antiincrustantes en aplicaciones de biorreactores de membrana. Incluyen, por ejemplo:
Además, también se pueden recomendar diferentes tipos e intensidades de limpieza química en horarios típicos:
También se puede llevar a cabo una limpieza intensiva cuando no se puede mantener una filtración adicional debido a una presión transmembrana elevada. Cada uno de los cuatro proveedores de biorreactores de membrana, Kubota, Evoqua, Mitsubishi y GE Water, tiene sus propias recetas de limpieza química; estos 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, se pueden aumentar las tasas de absorción de contaminantes. 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 del 96 al 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 del licor mixto. Por encima de 15 g/L, la eliminación de DQO se vuelve casi independiente de la concentración de biomasa en >96 por ciento. [22] Sin embargo, no se emplean concentraciones altas y arbitrarias de sólidos en suspensión, para evitar que se impida la transferencia de oxígeno debido a una mayor viscosidad y efectos de viscosidad no newtonianos . La cinética también puede diferir debido al acceso más fácil al sustrato. En el tratamiento típico del proceso de lodos activados, los flóculos pueden alcanzar un tamaño de varios 100 μm. Esto significa que el sustrato sólo puede llegar a los sitios activos por difusión, lo que provoca una resistencia adicional y limita la velocidad de reacción general (controlada por difusión). El estrés hidrodinámico en los biorreactores de membrana reduce el tamaño del flóculo (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 velocidades de carga de lodo de 0,01 kg DQO/(kgMLSS d). [23] Debido al límite de concentración de biomasa impuesto, tasas de carga tan bajas darían como resultado tamaños de tanques 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 zonas sensibles a la eutrofización . El nitrógeno (N) es un contaminante presente en las aguas residuales que debe eliminarse por múltiples motivos: 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 Para el 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 desnitrificación , llevada a cabo por bacterias nitrificantes y la participación de organismos facultativos. Además de la precipitación de fósforo, se puede implementar una eliminación biológica mejorada de fósforo , lo que requiere un paso de proceso anaeróbico adicional. Algunas características de la tecnología de biorreactor de membrana hacen que la eliminación biológica mejorada de fósforo en combinación con la posdesnitrificación sea una alternativa atractiva que logra concentraciones muy bajas de nutrientes en el efluente. [22] Para ello, 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 nitrificantes, de modo que los hace especialmente eficaces en la eliminación de N (nitrificación).
Los biorreactores de membrana anaeróbicos (a veces abreviados AnMBR) se introdujeron en la década de 1980 en Sudáfrica. Sin embargo, los procesos anaeróbicos normalmente se utilizan cuando se requiere un tratamiento de bajo coste que permita recuperar energía pero no se consigue un tratamiento avanzado (baja eliminación de carbono , nula eliminación de nutrientes). Por el contrario, las tecnologías basadas en membranas permiten un tratamiento avanzado (desinfección), pero con un alto coste energético. Por tanto, la combinación de ambos sólo puede ser económicamente viable si se desea un proceso compacto de recuperación energética, o cuando se requiere una desinfección tras un tratamiento anaeróbico (casos de reutilización de agua con nutrientes). Si se desea la máxima recuperación de energía, un solo proceso anaeróbico siempre será superior a una combinación con un proceso de membrana.
Recientemente, los biorreactores de membrana anaeróbicos han tenido una aplicación exitosa a gran escala para el tratamiento de algunos tipos de aguas residuales industriales, generalmente desechos de alta concentración. Las aplicaciones de ejemplo incluyen el tratamiento de aguas residuales de vinazas alcohólicas en Japón [24] y el tratamiento de aguas residuales de aderezos para ensaladas y salsas para barbacoa en los Estados Unidos. [25]
Como en cualquier otro reactor, la hidrodinámica (o mezcla) dentro de un biorreactor de membrana juega un papel importante en la determinación de la eliminación de contaminantes y el control de incrustaciones dentro del sistema. Tiene un efecto sustancial en el uso de energía y los requisitos de tamaño y, por lo tanto, el costo de vida útil 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, posición de la pared/deflector/mezclador/aireador, entrada de energía de la mezcla). Un ejemplo del efecto de la mezcla es que un reactor de tanque agitado continuo no tendrá una conversión de contaminantes por unidad de volumen de reactor tan alta como un reactor de flujo pistón .
El control de la incrustación, como se mencionó anteriormente, se logra principalmente mediante aireación con burbujas gruesas. La distribución de las burbujas alrededor de las membranas, el 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 pistón) 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 tanto, de los biorreactores de membrana. Estas varían desde propiedades físicas (por ejemplo, reología de la mezcla y densidad de gas/líquido/sólido, etc.) hasta condiciones límite del fluido (por ejemplo, tasas de flujo de entrada/salida/reciclaje, posición del deflector/mezclador, etc.). Sin embargo, algunos factores son peculiares de los biorreactores de membrana y estos incluyen el diseño del tanque de filtración (por ejemplo, tipo de membrana, múltiples salidas atribuidas a las membranas, densidad de empaquetamiento de la membrana, orientación de la membrana, etc.) y su operación (por ejemplo, relajación de la membrana, retrolavado de la membrana, etc.). ).
Las técnicas de modelado y diseño de 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 sólo 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 suposiciones amplias sobre las propiedades de mezcla de cada sub. -unidad. El modelado computacional de dinámica de fluidos , por otro lado, no se basa en suposiciones amplias 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, desde la distribución del tiempo de residencia hasta el perfil de corte en la superficie de una membrana. En la imagen se muestra una visualización de dichos resultados de modelado.
Se han realizado investigaciones de la hidrodinámica de los biorreactores de membrana a muchas escalas diferentes, 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] examinó 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 América. [34]
En esta línea, en 2016, algunos estudios e informes mostraron que la región APAC tomó la delantera en términos de participación de mercado, poseyendo el 41,90%. Por otro lado, la participación de mercado de la región EMEA es aproximadamente del 31,34% y América constituye el 26,67% del mercado. [34]
APAC tiene el mayor mercado de biorreactores de membrana. Las economías en desarrollo como India, China, Indonesia y Filipinas son importantes contribuyentes al crecimiento en esta región de mercado. APAC es considerada una de las regiones más propensas a sufrir 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 abastecimiento 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, los Emiratos Árabes Unidos, Kuwait, Argelia, Turquía y España son los principales contribuyentes a esa tasa de crecimiento. La escasez de agua limpia y dulce es el factor clave de la creciente demanda de tecnologías eficientes de tratamiento del agua. En este sentido, la mayor concienciación sobre el tratamiento del agua y el agua potable también está impulsando el crecimiento. [34]
En última instancia, 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 estricta aplicación de la normativa 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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