Amb la creixent demanda d’aigua, els rigorosos requeriments de qualitat i l’increment de zones propenses a l’escassetat d’aigua, els bioreactors de membranes (BRM) han esdevingut una opció molt prometedora per les estacions depuradores d’aigües residuals. Els BRM són una combinació dels reactors biològics convencionals seguits per una unitat de filtració que reté la biomassa, de manera que presenten com a grans avantatges una gran qualitat d’aigua a la sortida, amb estàndards de reutilització, i molt poca necessitat d’espai. L’embrutiment de les membranes i els costos associats per la seva neteja són els principals inconvenients. Per això, la recerca desenvolupada en el marc d’aquesta tesi s’ha centrat en identificar les estratègies d’operació òptima per millorar l’eficiència dels processos que tenen lloc en els BRM d’una forma integrada, és a dir, optimitzar al mateix temps els processos biològics d’eliminació de contaminants i els físics de filtració, per tal de minimitzar l’embrutiment i, si és possible, reduir els costos d’operació.
Aquesta recerca ha donat lloc a la tesi doctoral de la Montse Dalmau, del Laboratori d’Enginyeria Química i Ambiental (LEQUIA) de la Universitat de Girona (UdG), que porta per títol “Integrated operation of membrane bioreactors: simulation and experimental studies”, i que ha estat dirigida per Joaquim Comas (UdG), Ignasi Rodriguez-Roda (UdG, ICRA) i Eduardo Ayesa (CEIT).La tesi representa un pas endavant cap a l’operació integrada dels BRM mitjançant estudis experimentals i de modelització. Les interaccions entre els processos biològics (eliminació de nutrients i característiques de la biomassa) i físics (hidrodinàmica del procés i filtració) que tenen lloc als BRM s’han estudiat, amb l’objectiu final de millorar-ne la seva operació i el control integrat.
Per tal d’aconseguir-ho, es va desenvolupar un model determinístic o mecanístic, és a dir, que intenta descriure els processes dels BRM, i es va aplicar a una planta BRM pilot i a una planta BRM a escala real per tal d’ identificar quins eren els paràmetres més sensibles respecte l’operació integrada dels processos d’eliminació de nutrients, filtració i hidrodinàmica. A més a més, degut a la complexitat del procés d’embrutiment de les membranes, dos models de diferent naturalesa (un de determinístic i un més tipus caixa negra, basat en dades, que intenta ajustar les dades de sortida a les dades d’entrada en base a la història del procés) es van utilitzar per identificar quines eren les condicions d’operació òptimes per a la filtració.
D’altra banda, dos estudis experimentals van permetre fer un pas més enllà a les prediccions dels models. D’una banda, es va estudiar quin era l’efecte de l’aeració del compartiment biològic i de les membranes sobre els processos de filtració biològics i l’estat de la biomassa. Aquest estudi va permetre identificar les condicions d’operació òptimes dels BRM, amb una reducció del 42% en el cabal d’aire total, aconseguint un 75% d’estalvi energètic respecte l’operació inicial. D’altra banda, el segon estudi es va centrar en la validació d’un sistema innovador de control de l’aeració de les membranes en una planta a escala real. El sistema de control va poder ser validat amb èxit durant 320 dies. La mitjana de reducció del cabal d’aeració va ser del 13%, amb un estalvi màxim limitat per l’usuari al 20%, sense afectar a la velocitat d’embrutiment de les membranes, ni a les característiques del fang ni a la qualitat de l’efluent. Aquesta reducció del cabal d’aire es va traduir en una disminució mitjana del 14% del consum energètic de l’aeració de membranes, aconseguint-se estalvis màxims del 22%.
Els resultats obtinguts en aquesta tesi permetran millorar l’operació i el control automàtic dels processos biològics i de filtració d’una forma integrada, reduir també els costos energètics i contribuir d’aquesta manera a la millora de la competitivitat de la tecnologia BRM, especialment com a solució per a problemes d’escassetat d’aigua.
Author: Montserrat Dalmau Figueras
Integrated operation of membrane bioreactors: simulation and experimental studies
Autor: | Montserrat Dalmau Figueras |
Supervisor: | Dr Joaquim Comas, Dr Ignasi Rodriguez-Roda and Dr Eduardo Ayesa (CEIT) |
Any: | 2014 |
Enllaç: | http://hdl.handle.net/10803/284740 |