U. J. Jáuregui-Haza, A.Zarragoitia-González, I. Quesada-PeñateCentro de Química Farmacéutica (CQF). 200 y 21, Atabey, Playa, Apdo.

16042, C. de La Habana. Cuba.A. M. Wilhaelm, H. Delmas, C. Albasi

INP-ENSIACET, Laboratoire de Génie Chimique, UMR - CNRS 5503, 5 Rue Paulin Talabot, 31106 Toulouse cedex, France

BIORREACTORES DE MEMBRANA Y ULTRASONIDO: TECNOLOGÍAS

EMERGENTES PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUALES LÍQUIDOS

HOSPITALARIOS

INTRODUCCION

Los residuales hospitalarios

Sólidos:No peligrosos

Corto-punzantesBiológicosQuímicos

Radioactivos

Gaseosos

Líquidos:Albañal-doméstico

BiológicosQuímicosMercurio

RadioactivosEl hombre

ylos fármacos

Tratamiento de los residuales líquidos hospitalarios

Tecnologías convencionales:In situ vs. municipales

El espacio

Segregar, clasificar, tratar, disponer

Nuevas tecnologías :Biorreactores de membrana

UltrasonidoOxidación catalítica

BIORREACTORES DE MEMBRANA

Los biorreactores de membrana: BRM

Biorreactor de membrana

Reactor biológico:responsable de la degradación de los compuestos presentes en el agua residual.

Módulo de membranas:encargado de llevar a cabo la separación física del licor mezcla.

El mercado de los BRM

EEUU Y Canadá:

•$750 Millones (2003)

•$1.3 Miles de Millones(2010)

Europa:

•$43 Millones (2002)

- Necesidad de disminuir la producción de lodos biológicos (hasta un 80%)- Necesidad de un grado de depuración elevado: vertido a cauce público, zonas sensibles o pago de un impuesto de vertido elevado- Reutilización: La reutilización puede venir impuesta por la escasez de agua de la zona o puede suponer un valor añadido importante a considerar. Las variables aquí van a ser el precio del metro cúbico de agua fresca o las subvenciones por reutilización- Poco espacio disponible- Ampliación de la capacidad de tratamiento de plantas convencionales ya existentes- Efluentes industriales con componentes de difícil o lenta biodegradabilidad

¿Cuándo instalar un BRM?

Ventajas de los BRM (1)

- Calidad de agua tratada: Reutilización.- Mínima producción de lodos: Producciones similares a sistemas anaerobios.- Estabilidad: Calidad del permeado estable con independencia de picos de carga.- Modularidad: Sistemas fácilmente ampliables sin necesidad de

reformas ni ampliación de reactor biológico.- Desinfección: Efluente desinfectado tras atravesar una membrana de ultrafiltración.-Compacidad: Mínimo requerimientode espacio.-Mantenimiento: Sistemas muy automatizados, mantenimiento mínimo.-Eliminación de bulking y espumas de origen filamentoso.

- Se obtiene un elevado coeficiente de transferencia de oxígeno y una alta fracción de biomasa activa que posibilita trabajar con elevados tiempos de retención de los sólidos con una mínima producción de lodos sin que disminuya la eficiencia del proceso, o que garantiza aguas tratadas con las siguientes características: DQO <125 mg/L, DBO5< 15 mg/L, SS <5 mg/L.

- Disminución del contenido de bacterias y virus, así como de metales pesados en las aguas tratadas con un impacto considerable en la salud humana y en la disminución de factores generadores de epidemias y enfermedades vinculadas a toxicidad de los metales pesados

125Volumen (unidades de referencia)

0.250.250.25Carga másica (Kg DQO / Kg SSVolátiles día)

7-404-122.5-3.5Sólidos Suspendidos en el licor mezcla (g/L)

1.8-101-30.6-0.9Carga Volumétrica (Kg DQO eliminada/m3 día)

MBR externoMBR sumergidoLodos ActivadosPARÁMETROS

SISTEMAS DE TRATAMIENTO

Ventajas de los BRM (2)

SISTEMAS CONVENCIONALES vs SISTEMAS BRM

Desventajas de los BRM

- Altos costos de capital inicial- Mayor consumo energético- Necesidad de limpieza frecuente de las

membranas a causa del proceso de colmatación- Costos de operación y mantenimiento más

elevados

Comentarios al margen: El precio de las membranas ha idodisminuyendo, en particular las membranas poliméricas. Se estándesarrollando además nuevos materiales que retardan la deposición y la adsorción de sustancias sobre la superficie de la membrana, lo cualenlentece considerablemente el proceso de colmatación.

Configuraciones de membranas

más utilizadas

Factores y mecanismos que influyen en la colmatación de la membrana

a) Fuerzas de cizallamiento sobre la membrana

b) Turbulencia en el líquido

c) Movimiento vibratorio de las fibras

Mecanismos de acción de la aireación en los BRM

ULTRASONIDO

¿Qué es el ultrasonido?

Las ondas sonoras que tienen frecuencias superiores a las que pueden ser percibidas por el oído humano (16 KHz). Se define para frecuencias superiores a 20 KHz.

¿Qué es la cavitación acústica?

Cuando una onda acústica es emitida en un líquido, la distancia promedio entre las moléculas en el líquido variará en la medida que las mismas oscilen alrededor de su posición de equilibrio. Cuando la presión en un punto disminuye lo suficiente, de forma tal que se excede la distancia molecular crítica necesaria para mantener el líquido intacto, entonces se crean burbujas de vapor o gas (Fig.1 fase A) que se agrandan mientras dura la fase de depresión acústica (presión negativa). Durante la segunda fase de compresión ultrasónica (Fig. 1 fase B), la enorme presión ejercidasobre las burbujas recién expandidas, comprime a las mismas aumentando enormemente la temperatura del gas en ellas contenido (Fig. 1 fase C) hasta que las burbujas colapsan en si mismas implotando con la consiguiente expulsión de una enorme cantidad de energía (Fig. 1 faseD) suficiente como para desencadenar reacciones químicas (más de 1000 K y más de 100 bars).

H2O → H • + •OH O2 → 2OH• + •OH → H 2O •OH + •OH → H2 O2 H2O + O → •OH + •OH

Sonoquímica

La sonoquímica homogénea: el efecto del ultrasonido es puramente químico (producción de radicales libres)

La sonoquímica heterogénea: los efectos mecánicos del ultrasonido pueden acelerar la reacción química (limpieza de superficies sólidas, eliminación de capas de óxido, reducción del tamaño de un sólido, aceleración de la difusión en un sólido poroso, etc)

El ultrasonido ofrece un gran potencial para mejorar los procesos de tratamiento de agua, aguas residuales y lodos.

Por lo tanto…

Pero, hay que tener en cuenta:

la influencia de la frecuencia,

la influencia de los gases disueltos y los sólidos suspendidos en la cavitación,

el diseño óptimo de reactores,

la economía, la confiabilidad y tiempo de vida útil del equipamiento ultrasónico.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

P u b l i c a t i o n Y e a r

Publicaciones sobre ultrasonidoen el tratamiento de aguasresiduales

Country/Territory

Peoples R China; 25,00%

Germany; 12,50%

Greece; 12,50%

USA; 11,10%

France; 8,30%

India; 8,30%

Spain; 8,30%

England; 4,20%

Japan; 4,20%

South Korea; 4,20%

Base de datos: ISI WEB of Knowledge

Palabras clave: ultrasound, wastewater

Aplicaciones del ultrasonido en la ingeniería ambiental.

Campo Objetivo ReferenciaInactivar bacterias(desinfección)

Phull et al. (1999)

Mejorar separación desólidos

Spengler & Jekel(1999)

Degradar contaminantes Petrier et al; Tauberet al.; Ondruschka & Hoffmann; Keck etal.; (1999)

Mejorar la degradaciónbiológica

Tiehm (1999)

Desintegrar sólidosbiológicos

Lehne & Muller;Nickel; Gruning &Orth; (1999)

Descomponer flóculosde lodos activadosbulking para mejorar lasedimentación

Nickel (1999)

Tratamiento de aguapotable

Tratamiento de aguasresiduales

Tratamiento de lodos

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AVONMOUTH. UK

El digestor fue estable alimentando incluso 100 % de lodos activados previamente sonicados.

Un 50 % de incremento en la producción de biogas.

Un incremento entre el 30-50 % en la destrucción de los sólidos.

DATOS IMPORTANTES

El costo de capital para el proceso ultrasónico es $30,000/kW(1 kW del proceso ultrasónico trata aprox 10,000 poblaciónequivalente).

Los costos de operación y mantenimiento son mínimos e incluyen la sustitución de los electrodos cada 1.5 - 2 años.

El tiempo de recuperación de la inversión para plantasmontadas en Alemania varía desde 8 meses hasta 3 años.

Toda la tecnología montada está patentada y cumple las ISO 9001

Esta tecnología se ha probado, de forma exitosa, por variosaños en Europa. Actualmente existen 8 plantas, la mayoría en Alemania

Los volátiles son degradados preferentemente por reacciones pirolíticas que ocurren en la fase vapor de la burbuja de cavitación.

Los hidrofóbicos se acumulan y reaccionan en la capa límite hidrofóbica de la burbuja de cavitación. La concentración de radicales OH y H2O2 en la capa límite es significativamente superior a la concentración de estos en el seno del líquido. En esta capa la pirólisis y las reacciones radicalarias contribuyen a la degradación del compuesto bajo estudio.

Los hidrofílicos se degradan mediante la reacción con los radicales OH y el H2O2 en el seno del líquido.

Las macromoléculas y las partículas se degradan por la acción de fuerzas hidromecánicas producidas por el colapso de las burbujas de cavitación.

¿Qué mecanismos dominan la degradación de compuestos

refractarios?

NUESTROS RESULTADOS

Condiciones de operación

Carga volumétricaEdad de los lodos

Nutrientes

Características dellicor mezclado

Concentración de la materia en suspensionFloculaciónViscosidad

ControlLimpieza de la

membranaCiclos de filtración

RetrolavadoAireación

OptimizaciOptimizacióónn

BRM: Estrategia de I + D

Colmatación de la membrana

Pérdida de las capacidadesde transferencia de la

membrana

OBJETIVOS: BRM

2- Desarrollar modelos que permitan la simulación y optimización del proceso de filtración en los BRM

1- Evaluar el proceso de tratamiento de residualesutilizando un BRM

Diagrama del BRM piloto

El BRM piloto

-ORIGEN DEL RESIDUAL

Aguas residuales municipales y domésticas. Residual de entrada a la estación de depuración de Brax, Francia.

-CARACTERÍSTICAS DE LA MEMBRANA

Membrana de fibra hueca polimérica (Polisulfona) con tamaño de poro 0.1 µm , diámetro interno 0.4 mm , diámetro externo 0.7 mm. (POLYMEN S.A., Toulouse, Francia).

La membrana y el residual

Métodos

1- Sólidos Suspendidos 2- Prueba de filtración frontal 3- Demanda Química de Oxígeno 4- Sustancias Poliméricas Extracelulares

(Proteínas + hùmicos),(Polisacáridos)5- Granulometría de los lodos6- pH7- Temperatura8- Evaluación de coeficientes cinéticos por respirometría

Filtrabilidad de los Lodos (Test Filtracion Frontal)

0

10

20

30

4050

60

70

80

90

0 5 10 15 20 25

V

t/V

Lodos - 27 Marzolodos-7 AbrilLodos 2 Mayo

Comportamiento de la presión transmembranal máxima

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,40,45

0,5

14/3 20/3 26/3 1/4 7/4 13/4 19/4 25/4 1/5 7/5 13/5 19/5 25/5 31/5 6/6 12/6 18/6 24/6 30/6 6/7 12/7

Tiempo (dias)

pres

ión

tran

smem

bran

al

máx

ima

(bar

)

Comportamiento del pH

0123456789

8/3 20/3 1/4 13/4 25/4 7/5 19/5 31/5 12/6 24/6 6/7Tiempo (dias)

pH

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

16/3 24/3 1/4 9/4 17/4 25/4 3/5 11/5 19/5 27/5 4/6 12/6

Temps(jour)

Mat

eria

en

Susp

ensi

ón (g

/L)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

Fluj

o m

ax. (

L/h)

, Pre

sión

Tr

ansm

embr

anal

Max

. (ba

r)

Materia en suspensiónPresión TransmembranalFlujo máximo

Comportamiento de la capacidad colmatante del lodo

0100000002000000030000000400000005000000060000000700000008000000090000000

27/3 3/4

10/4

17/4

24/4 1/5

8/5

15/5

22/5

29/5 5/6

12/6

19/6

26/6

Tiempo (dias)

Ulti

mo

valo

r de

t/V

desp

ués

de la

filt

raci

ón d

e 20

mL

de lo

do (s

/m3)

Comportamiento DQO Y PROTEINAS

0

100

200

300

400

500

600

700

24/3 13/4 3/5 23/5 12/6 2/7Tiempo (dias)

DQ

O (m

g/L)

0

10

20

30

40

50

60

70

Con

c Pr

otei

nas

(mg/

L)

DQO- ALIMENTACIONDQO-SOBRENADANTE DE LOS LODOSCONCENTRACION DE PROTEINAS (ALIMENTACION)CONCENTRACION DE PROTEINAS (LODOS)

Algunos resultados del comportamiento del BRM

Estrategia de modelación del sistema

Nivel 1:

Este nivel de análisis considera el comportamiento de los microorganismosque se encuentran en el interior de BRMS respecto a su metabolismo, interaccionescon el sustrato, consumo o excreción de compuestos colmatantes (SPE).

Nivel 2 :Este nivel de análisis considera el proceso de colmatación considerando la formación de resistencias a todo lo largo del proceso de filtración. Por tanto el debe considerar la evolución en el tiempo de los mecanismos que son responsables de la colmatación de la membrana, así como las fuerzas que se encuentran presentes durante la filtración.

Nivel 3:Este nivel de análisis considera las variables relacionadas con las corrientes de entrada y de salidadel sistema. Por ejemplo: Flujo de alimentación, flujo de permeado, alimentación de burbujas gruesas, entre otras.

Esquema conceptual de la teoría unificada de Laspidou y Rittmann, 2002

1- Síntesis de biomasa, 2- Formación de productos asociados a la utilización (PAU), 3- Formación de sustancias poliméricas extracelulares (SPE) enlazadas a la biomasa, 4- Degradación del sustrato, 5-Degradación endógena de la biomasa, 6- Descomposición de la biomasa produciendo partículas inertes, 7- Formación de productos asociados a la biomasa (PAB) a partir de la hidrólisis de las SPE enlazadas a la biomasa.

Hipótesis de la formación de dos capas de tortas Chu (2006).

Validación con datos experimentales

Validación con datos experimentalesevaluando diferentes ciclos de aireación

Paracetamol

Levodopa

OBJETIVOS: Ultrasonido

1- Estudiar la oxidación ultrasónica del paracetamoly la levodopa

El reactor ultrasónico

Diferentes frecuencias: 574, 860, 1134 khz Diferentes potencias: 71, 118, 141 y 222 W

Diferentes concentraciones: 50 y 100 mg/L

Oxidación ultrasónica de la levodopa

2

12,8

27,7

46,8

05

1015

20253035404550

71,5 118 141 222

PG - PV (W)

Eficiencia de degradación levodopa (%)

46,841,4

32,9

05

1015

20253035404550

574 860 1134

Frecuencia (kHz)

Eficiencia de degradación Levodopa (%)

46,8

99,7

0102030405060708090

100

100 50

Concentración (mg/L)

Eficiencia de degradacion levodopa (%)

21 %

47 %

Oxidación ultrasónica de la levodopa

Oxidación Levodopa bajo Ultrasonido

0102030405060708090

100110

0 2 4 6 8 10Tiempo (horas)

Con

cent

raci

on (m

g/L)

100 mg/L-574 kHz-pot max

50 mg/L-574 kHz-pot max

100 %

Oxidación Levodopa bajo Ultrasonido

020406080

100120140160

0 2 4 6 8 10Tiempo (horas)

DQ

O (m

g/L)

DQO Ci=100 mg/L

DQO Ci=50 mg/L

26 %

Aun a pequeñasconcentraciones, el tiempo de reacciónpara la degradacióntotal del producto es elevado(8 h) y la mineralización es pobre (26 %)

Oxidación ultrasónica del Paracetamol

96

88

80

85

90

95

100

574 860

Frecuencia (kHz)

Eficiencia de degradacion Paracetamol (%)

Oxidación Paracetamol bajo Ultrasonido

0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10Tiempo (horas)

Con

cent

raci

ónn

(mg/

L)

ParacetamolDQO

96 %

27 %

El tiempo de reacción para la degradación total delproducto es elevado (8h) y la mineralización es pobre(27 % para Ci= 100 mg/L)

Oxidación bajo Ultrasonido

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10Tiempo (horas)

Con

cent

raci

ón (m

g/L) Paracetamol-50 mg/L

Paracetamol-100 mg/L

Consideraciones finales

BRM

Tecnologías convencionales

Integración deprocesos

Residuales líquidoshospitalarios

Ultrasonido

Proyecto FIPHARIIA de la red PROQUIFAR,

INP-ENSIACET y Laboratoire de Génie Chimique, UMR - CNRS 5503, Francia

Ministerio de Salud Pública, Cuba

POLYMEN S.A., Toulouse, Francia

Estación de depuración de Brax, Francia

Agradecimientos

GRACIAS