Evaluación de la eliminación de materia orgánica y nitrógeno de las aguas residuales en un reactor biopelícula de membrana tubular aireada

Abstract

[Resumen] El reactor biopelícula de membrana aireada (proceso RBMA) es una tecnología emergente que emplea una membrana permeable a gases para el desarrollo de la biopelícula. A través del soporte-membrana, la biopelícula recibe el oxígeno para la oxidación de los contaminantes que difundirán desde el seno líquido del reactor. Esta peculiaridad hace de la biopelícula-membrana-aireada (BMA) un sistema donde se pueden desarrollar diferentes especies de microorganismos y nichos de reacciones microbianas. Este trabajo de tesis se ha centrado en el estudio de la eliminación de materia orgánica y nitrógeno de las aguas residuales con un proceso RBMA. El objetivo general consistió en evaluar el funcionamiento del proceso bajo diferentes planteamientos experimentales. Se estudió el proceso bajo las modalidades de explotación en batch y continuo. En cada modalidad se evaluó la eficiencia del proceso en cuanto a nitrificación terciaria, y eliminación simultánea de materia orgánica y nitrógeno mediante nitrificación conjunta y desnitrificación. El proceso se ha ensayado a escala piloto y de laboratorio. Inicialmente, el objetivo era la evaluación a escala piloto con agua residual doméstica decantada para lo que se diseñó, construyó e instaló una planta piloto en la antigua EDAR de Bens (A Coruña). Circunstancias de logística nos obligó a cambiar el planteamiento experimental inicial. Concretamente, cuando llevábamos 3 ensayos de la segunda parte experimental destinada al estudio de la eliminación simultánea de materia orgánica y nitrógeno en modo batch se tuvo que desmontar la planta piloto porque las obras de la nueva EDAR de Bens requerían del espacio que en ese momento ocupábamos, y no había otro sitio en la EDAR donde montar la planta piloto sin que interrumpiéramos el normal desarrollo de las obras. Esta no fue la única vicisitud, pero si la más importante. En esas circunstancias, continuar con el estudio en continuo solo era viable si hubiéramos dispuesto de otra alternativa próxima (EDAR, industria, etc.) que nos permitiera ensayar el piloto “in situ”, ya que por el volumen del RBMA su alimentación en continuo con agua residual sintética era inviable. Por ejemplo, para un TRH de 6 horas, se requerirían 544 litros/día de caudal. Por lo tanto, el estudio en continuo se tuvo que hacer a escala de laboratorio, y lo que hicimos fue aprovechar un RBMA de 14.2 litros (1/10 aproximadamente del piloto) que se construyó para los ensayos de evaluación de la transferencia de oxígeno de las membranas limpias. Y por otra parte, circunstancias personales de la autora retrasaron el re-inicio de los estudios hasta septiembre del 2014, es decir, 5 años después. Uno de los objetivos del trabajo era generar información técnica y práctica sobre variables de explotación del proceso RBMA a escala piloto con agua residual doméstica tanto en modo batch, al estilo de un reactor secuencial batch de cultivo en suspensión (SBR por las siglas en inglés de Sequential Batch Reactor), como en continuo, siempre con el menor consumo de energía en aireación y agitación. Por lo tanto, la aireación se diseñó para que fuera capaz de renovar la atmósfera interna del módulo de membranas en un tiempo muy corto, concretamente en menos de 1 minuto, y no tuvo como finalidad presurizar el interior del cuerpo de las membranas (los poros). Asimismo, cuando se realizó agitación del agua se lo hizo a muy baja velocidad, concretamente a 2.6 m/h cuando se trabajó en modo batch con agua residual doméstica (caso b). En los otros 3 escenarios: (caso a) escala piloto, modo batch, nitrificación terciaria, agua residual sintética (ARS), (caso c) escala de laboratorio, modo continuo, nitrificación terciaria, ARS y (caso d) escala de laboratorio, modo continuo, nitrificación – desnitrificación, ARS; la velocidad fue nula (caso a) o extremadamente baja, en el orden de 10-4 cm/s (casos c-d). ¿Por qué estas condiciones tan extremas de bajo consumo energético? Porque también se buscaba evaluar la viabilidad del proceso RBMA como alternativa de tratamiento, secundario y/o terciario, para pequeños núcleos del medio rural de Galicia. Por esas fechas, 2005 – 2008, el grupo de Ingeniería Sanitaria y Ambiental colaboraba con Augas de Galicia en la elaboración de las Directrices de Saneamiento en el Medio Rural de Galicia (DSMRG), que entre otras actividades, comprendió una puesta al día de las alternativas de depuración existentes. Por deformación profesional, el grupo de trabajo también evaluó las necesidades de innovación y desarrollo de nuevas tecnologías adaptables al medio rural, es decir: con bajo consumo de energía, poco equipos mecánicos y de simple o sencilla explotación y mantenimiento. Estos requisitos van enlazados: si consumo poca energía, normalmente es porque uso pocos equipos electro-mecánicos, y si uso pocos equipos mecánicos, lo normal es que la explotación y mantenimiento sean sencillos...

[Abstract] The membrane aerated biofilm reactor (MABR process) is an emerging technology which employs a gas permeable membrane for the biofilm development. Through the support-membrane biofilm receives oxygen for the oxidation of contaminants that diffuse from the liquid within the reactor. This peculiarity makes the membrane-aerated-biofilm (MAB) a system where you can develop different species of microorganisms and microbial reactions niches. This thesis has focused on the study of the removal of organic matter and nitrogen from wastewater with MABR process. The overall objective was to evaluate process performance under different experimental approaches. The process is studied under the forms of operation in batch and continuous. In each mode the efficiency of the process in terms of tertiary nitrification and simultaneous removal of organic matter and nitrogen was evaluated for nitrification and denitrification. The process has been tested in laboratory and pilot scale. Initially, the goal was to evaluate a pilot scale with settled domestic wastewater for what was designed, built and installed a pilot plant in the former WWTP Bens (A Coruña). Logistics circumstances forced us to change the initial experimental approach. Specifically, when we had three tests of the second experimental part for the study of the simultaneous removal of organic matter and nitrogen in batch mode it had to remove the pilot plant for the works of the new WWTP Bens required space at that time we occupied, and no else in the WWTP to mount the pilot plant without the normal development of the works were interrupted. It was not the only vicissitude, but the most important. In these circumstances, continuing the ongoing study was only viable if it had received another next alternative (WWTP, industry, etc.) to allow us to test the "in situ" pilot, as the volume of MABR feeding in continuous with synthetic sewage was unworkable. For example, for a HRT of 6 hours, 544 liters/day would require flow. Therefore, the continuous study had to be done on a laboratory scale, and what we did was take advantage of a MABR 14.2 liters (approximately 1/10 of the pilot) that was built for the evaluation tests of oxygen transfer clean membranes. On the other hand, the author's personal circumstances delayed the re-start of the studies until September 2014, that is, five years later. One aim of the work was to generate practical information on technical and operational variables MABR pilot scale process with domestic wastewater both in batch mode, in the style of a sequential batch reactor (SBR) and continuously, always with the lowest energy consumption for aeration and agitation. Therefore, aeration was designed to be able to renew the internal atmosphere of the membrane module in a very short time, specifically in less than one minute, and was not intended to pressurize the interior of the body of the membranes (pore). Also, when agitation of the water was performed it made at very low speed, namely 2.6 m/h when he worked in batch mode with domestic wastewater (case b). In the other three scenarios: (case a) pilot scale batch mode, tertiary nitrification, synthetic wastewater (SWW), (case c) laboratory scale, continuous mode, tertiary nitrification, SWW and (case d) laboratory scale, continuous mode, nitrification - denitrification, SWW; speed was zero (case a) or extremely low, in the order of 10-4 cm/s (c-d cases). Why such extreme conditions of low energy? Because they also sought to assess the feasibility of MABR process as an alternative treatment, secondary and/or tertiary, small agglomeration rural Galicia. At that time, 2005 - 2008, the group of Sanitary and Environmental Engineering collaborated with Aguas de Galicia in the development of the Guidelines Sanitation in Rural Areas of Galicia (DSMRG), which among other activities, included an update of the existing treatments. For professional bias, the working group also evaluated the need for innovation and development of new adaptive technologies to rural areas, that is: with low power consumption, little mechanical and simple and easy operation and maintenance equipment. These requirements are linked: if low energy consumption, it is usually because they use few electro-mechanical equipment, and if I use few mechanical equipment, it is normal that operation and maintenance are simple...