Fundamentos

En realidad más que configurar nuevas tecnologías, conceptualmente se trata “simplemente” de una extensión a nuevos terrenos de clásicos sistemas largamente empleados en acondicionamiento de agua, sea para proceso, potabilización, entre otros.  En forma naturalmente muy selectiva, especialmente en instalaciones pequeñas, vemos instancias exitosas de microfiltración y ultrafiltración implementando procesos unitarios históricamente resueltos mediante filtros de arena, filtros de granulados mixtos, e incluso clarificación secundaria.

Como todo nuevo campo de aplicación, los resultados concretos no siempre concuerdan con las expectativas, especialmente cuando estas últimas han sido preparadas en base a literatura comercial.  Es obvio que tanto el sector industrial como el municipal en general está ávido de mejores métodos y alternativas, pero al igual que sucedió con la desilusión de tecnologías de aireación difusa (re: Musterman; curvas ASCE), la evaluación en el campo de “nuevas ideas” lleva su tiempo.  A diferencia del caso de los difusores de membrana, existe un mucho mayor conocimiento y experiencia en el montaje y operación de sistemas de membranas, especialmente en agua de proceso y potabilización.   Un poco con esta cautela es que incorporamos al arsenal de procesos unitarios “viejas tecnologías” como ser micro y ultrafiltración en nuevos contextos, i.e. plantas de tratamiento biológico de efluentes.  Por el momento dejamos de lado nanofiltración y ósmosis inversa, siendo en realidad una clasificación basada en el tamaño o diámetro nominal de los poros, e.g. entre 0.06 y 2 µm para microfiltración, entre 0.005 y 0.1 µm para ultrafiltración, 0.001 y 0.01 µm y finalmente 0.0001 y 0.002 µm para ósmosis inversa.  Al igual que por ejemplo los filtros de mangas o bolsas empleados en separación de particulado en proyectos de tratamiento de gases, la deposición gradual de material sobre el soporte, e.g. tela o membrana filtrante, disminuye de hecho el diámetro efectivo de retención, lográndose atrapar particulado menor.   En forma análoga a la aplicación de aire mencionada, la caída de presión irá aumentando progresivamente hasta llegar al nivel de corte induciéndose algún tipo de (auto)limpieza.  En el caso de tratamiento de efluentes, tendremos en realidad una sinergía o híbrido formado por el material sintético (membrana) y el gel o película biológica (biomasa, proteínas), componente biológico que disminuye en este contexto a su vez la distinción entre micro y ultrafiltración.  De hecho, puede observarse resultados muy similares cuando se procura comparar las dos alternativas en el campo.       

Dentro del contexto de plantas de tratamiento de efluentes, los sistemas de biomembranas, fundamentalmente en alternativa de microfiltración, han visto dos grandes campos de aplicación, a saber:

1. asumir las funciones clásicamente asignadas a los filtros granulados, i.e. remoción de turbidez, restos de sólidos suspendidos, parásitos y la mayoría de las bacterias presentes en el efluente proveniente del sedimentador secundario
2. asumir adicionalmente las funciones del sedimentador secundario, en cuyo caso el conjunto de membranas es sumergido (permanentemente en el propio tanque, en la zona de nitrificación o en una partición separada) o instalado fuera del agua.

 Aún con la notable evolución de las membranas, tanto en costos como en nuevos materiales y diseño, el consenso general respecto al empleo parece ser como la mejor alternativa para pretratamiento para procesos de ósmosis inversa.  Si bien la idea de emplear membranas en plantas de tratamiento de efluentes fueron desarrolladas por Dorr Oliver en la década del 60 para instalaciones municipales, algunas de las dificultades de entonces no hay sido superadas hoy.  Aún cuando existe la posibilidad de trabajar con inventarios de biomasa muchísimo mayor, e.g. MLSS tres o cuatro veces la tasa convencional, los requerimientos de energía son mayores y fuerzan a trabajar sistemas de aireación difusa en sus peores contextos, i.e. 40-50 lbBOD/day per 1,000 cu.ft.  Típicamente los diseños cautelosos de aireación difusa, al promover cocientes carga sobre inventario de biomasa (“food-to-mass ratio” o f/m) “automáticamente” implicaban trabajar con cargas orgánicas volumétricas conservadoras, i.e. 10 – 15  lbBOD/day per 1,000 cu.ft.  Esperemos que toda la nueva generación de sistemas no olvide las malas experiencias pre membranas.  Recomendamos releer lo expuesto en www.LodosActivados.com especialmente las curvas de transferencia de oxígeno aún en agua limpia al aumentar la densidad de potencia, i.e. 100 ... 500 HP por mega galón de tanque.

Finalmente, puede ser importante cerciorarse de una caracterización responsable del efluente así como las pautas macro del diseño básico, e.g. favorecer procesos de baja tasa, consideración de TKN en la previsión de oxígeno, tratamiento de P,  mantenimiento de niveles adecuados de mezcla completa mediante densidad de potencia correcta, suplementación balanceada de nutrientes, alimentación uniforme tanto hidráulica como orgánica (ecualizadores), remoción previa de material grasoso/aceitoso, tiempos de estadía y edad de lodos generosos, entre otros aspectos.  Si bien las membranas cumplen con la doble función de retener biomasa así como pulir el efluente, la esencia es fomentar el proceso biológico. 

             En cierta manera hay un contraste entre la simplicidad del concepto, i.e. separación esencialmente física de distintos constitutivos del seno del líquido, versus la implementación exitosa.  Tal como se mencionara, se trata de un sencillo mecanismo de separación de particulado, en definitiva resumido en el empleo de un tubo capilar permeable o poroso, sea con alimentación interna mediante presión o alimentación externa mediante succión por vacío.

            Tal vez la manera más rápida o ágil de exponer el principio de funcionamiento sea apelando a la siguiente expression:

            flujo = k * Dp = Dp / ( µ * R)

siendo:

            Dp = diferencia de presión a través de la membrana (TMP)

            µ = viscosidad del agua

            R = resistencia de la membrana

De alguna manera esto nos  explica el funcionamiento de las dos configuraciones más frecuentes, membrana inmersa en la cual es induce bombeo por un leve vacío y puede incluso tener una operación mantenida por efecto sifón, y membrana externa y presurizada operando a valores de densidad de flujo mayores.  Podemos ya intuir un poco la importancia de la temperatura del líquido en cuanto a requerir concordancia de condiciones de operación vs condiciones de diseño.

Naturalmente existe una infinidad de materiales de construcción, y típicamente algún tipo de estructura sandwich, i.e. combinación de un elemento filtrante con un soporte o material de refuerzo, e.g. elementos en polietileno y soporte en ABS.  Otros materiales empleados incluyen polipropileno, acetato celulosa, PVDF, PES/PCP, PAN, PVC, entre otros

Es interesante notar que las características del inventario de biomasas en los sistemas de biomembranas son diferentes de los procesos convencionales, e.g. flóculos de menor tamaño y más disperso, menor sedimentabilidad, mayor número de organismos nadadores libres, y pocos ciliados o filamentosos.