UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

LABORATÓRIO DE PROCESSOS COM MEMBRANAS - COPPE

ESTUDO TÉCNICO SOBRE TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO COM

BIOREATORES À MEMBRANA

Aluna: Liana Franco Padilha

Disciplina: COQ 724 – Tecnologia de Membrana no Tratamento de Efluentes

Professores: Cristiano Piacsek Borges

Frederico de Araújo Kronemberger

Rio de Janeiro, 2011.

INTRODUÇÃO

O Biorreator à membrana (MBR) é um processo de tratamento de efluente que combina tratamento biológico convencional e separação para reter a biomassa através de filtração por membranas em apenas uma etapa (SANTOS, et al., 2011).

As vantagens do MBR frente ao processo tradicional de lodos ativados (CASP) consistem em obter uma qualidade de permeado maior e constante, controle independente de sólidos e tempos de retenção hidráulica, operação a altas concentrações de sólidos suspensos no licor e na maioria dos casos redução da produção de lodo por tempo (BRAAK).

Adicionalmente, removendo a etapa de sedimentação, a vazão de efluente enviada para o MBR não afeta a qualidade da água produzida impedindo a passagem de sólidos como no processo convencional, apesar de elevados choques hidráulicos e orgânicos sejam onerosos de outras maneiras (SANTOS, et al., 2011).

Apesar das vantagens dos sistemas de BRM já amplamente conhecidas, todo desenvolvimento de tecnologia e inovação está sujeito a barreiras e direcionamentos que determinam o alcance das recentes inovações. A instalação de novas tecnologias depende de características básicas a todas elas como a performance, a qualidade da água, a simplicidade operacional, a robustez do processo e custos de capital e operacionais. A instalação de novos sistemas de BRM no tratamento de esgotos ainda apresenta altos custos de capital e operacionais, pois as membranas são caras, o custo de energia é elevado e novas instalações são necessárias para os equipamentos. Os grandes incentivadores do mercado de BRM ainda continuam sendo o elevado custo da água tratada e as legislações mais restritivas (SANTOS, et al., 2011).

Sabe-se que os altos custos de capital para BRM podem ser reduzidos com a padronização dos sistemas como existe no mercado de Osmose Inversa (OI). A vida útil da membrana também pode ser

estendida e casos de sucesso têm sido reportados como, por exemplo, o sistema instalado em Porlock na Inglaterra que não trocam as membranas por mais de 10 anos (SANTOS, et al., 2011)..

Mesmo com todas estas barreiras, os MBR tem se tornado o estado da arte quando se fala em tratamento de esgotos face às indiscutíveis vantagens frente aos processos tradicionais. O mercado consumidor tem crescido a taxas maiores que qualquer outra tecnologia de membranas ou tratamento de efluentes dobrando em apenas sete anos. O setor municipal foi responsável por 75% do volume de capital consumido, tendo como base a área de membrana instalada, entre 2002 e 2005 (DREWS, A., 2010).

Neste ínterim, diversos estudos estão sendo realizados com os mais variados focos de pesquisa como otimização de equipamentos, índices de padronização de processos, membranas mais robustas e penetração da tecnologia no mercado consumidor. Este relatório irá se ater ao estado da arte dos BRM e discutir alguns artigos com assuntos interesse da comunidade científica.

ESTADO DA ARTE

O Bioreator a membrana é uma união da tecnologia de membranas e lodos ativados onde a separação de sólidos via sedimentação foi substituída pela filtração com membranas. As primeiras versões do MBR nos anos 60 utilizavam uma unidade de filtração à membrana separada do reator, com alimentação a partir do tanque de aeração em corrente cruzada. O emprego desta configuração, que ainda é usada para algumas aplicações, possibilitou o conhecimento e otimização dos processos de filtração e tratamento biológico em separado, mas ainda consome muita energia para manter a velocidade de contra-corrente suficientemente elevada para controlar o “fouling” na membrana. A partir dos anos 80 as unidades de filtração começaram a ser submergidas diretamente nos tanques de aeração diminuindo o consumo de energia de até 6 kWh/m3

(corrente cruzada) para 1 kWh/m3 nas primeiras versões das membranas submersas (Hermanowicz, S. W., 2011).

A figura 1 (a) mostra um esquema da filtração com corrente cruzada e a (b) com o filtro submerso (SMBR). A figura 1 (c) mostra uma evolução do SMBR com duas etapas de tratamento biológico e reciclo da biomassa e a (d) adiciona uma etapa de tratamento anaeróbico.

Figura 1: Configurações empregadas no MBR.

Comparando-se o BRM com o processo tradicional de lodos ativados (CAS), nota-se um maior consumo de energia para o primeiro, devido principalmente a aeração da membrana e aumento do efluente ambiental pela utilização de produtos químicos agressivos na limpeza das membranas. Os estágios de membranas e bioreactor não podem ser encarados como operações unitárias independentes, pois elas são intimamente ligadas em termos de reações biológicas e

filtração, ou seja, para o caso de MBR 1 + 1 não é igual a 2 e o resultado desta conta depende do estado da biomassa e particularmente das interações membrana – microbiologia (Drews, A., 2010).

Obviamente, a separação de sólidos é a diferença mais visível e afeta a demanda de energia diretamente. Nos sistemas convencionais a perda de energia é devido a perda de carga hidráulica no reator correspondendo a uma queda de pressão de 1,5 kPa, enquanto no MBR as pressões típicas transmembrana são da ordem de 40 – 60 kPa. Além disso, mais energia é requerida na adição de oxigênio para o processo biológico e para diminuir a deposição de sólidos (“fouling”), aumentando o fluxo através da membrana. O controle do “fouling” nas unidades de corrente cruzada é realizada pelo aumento da velocidade de alimentação do filtro, enquanto nas unidades SMBR é utilizado o borbulhamento de ar para promover agitação e diminuir a deposição nas membranas submersas (Hermanowicz, S. W., 2011).

Apesar do aumento no consumo de energia, as vantagens do MBR como diminuição da área de processo necessária (“footprint”), menor produção de lodo em excesso (menor descarte) e maior qualidade do efluente produzido são evidentes. A maioria das unidades de MBR operam com concentrações de sólidos suspensos no licor misto (MLSS) na ordem de 8 a 18 g/L, sendo relatados valores até maiores como 20 a 35 g/L devido a alta eficiência de separação sólido-líquido (Hermanowicz, S. W., 2011).

Entretanto, altas concentrações de MLSS não são tão atrativas, pois aumentam a viscosidade da solução para níveis não newtoniânos, diminuindo a eficiência de transferência de massa e aumentando a demanda de energia (Drews, A., 2010; Hermanowicz, S. W., 2011).

Os valores de MLSS ainda são empíricos e a otimização destes em escalas maiores depende também das instalações empregadas,

como, bombas, tubulação, aeração e características da biomassa além da concentração de sólidos (Drews, A., 2010).

A eficiência na transferência de massa do oxigênio pode ser melhorada diminuindo-se o tamanho das bolhas aumentando a área interfacial gás-líquido. Em contraste, o agitamento perto das membranas é melhor quando bolhas grosseiras são geradas aumentando a velocidade do fluido e sólidos próximos à membrana. Esta dicotomia pode levar o processo à separação em dois ou mais tanques de aeração como mostra a figura 1. Um deles é otimizado para o processo de filtração com bolhas grossas e o outro mais direcionado para o processo microbiológico (Hermanowicz, S. W., 2011).

Uma agitação precária em sistemas de MBR submersos leva a um aumento na deposição de sólidos na membrana (“fouling”), diminuindo a permeabilidade desta.

O “fouling” consiste na deposição de sólidos na membrana (interna e externamente) por adsorção ou acúmulo, entretanto este termo tem sido utilizado para contabilizar todos os fenômenos que levam a perda de permeabilidade. A diminuição da permeabilidade aumenta a área de membrana requerida e maiores pressões e velocidades (ou taxas de cisalhamento) são necessárias levando a um aumento na demanda de energia, ou na freqüência de limpeza das deposições das membranas. Devido ao impacto econômico, o “fouling” tem sido o assunto mais pesquisado em mais de uma década e continua crescendo, contabilizando aproximadamente 30% de toda literatura de MBR. Apesar do grande número de informação disponível, existem muitas lacunas e resultados contraditórios no que diz respeito à MBR como listado abaixo (Drews, A., 2010):- Devido à complexidade dos sistemas de MBR, os pesquisadores concluem com base em qualquer relação observada; - Os métodos de avaliação utilizados, como preparação de amostra e parâmetros de medida (p. e., medida de fluxo crítico), são bastante diferenciados para cada grupo de pesquisa;

- A terminologia é estabelecida, mas usada sem definições claras, como por exemplo, o termo produtos microbianos solúveis (SMP) se refere a um grupo de compostos que são analisados por diferentes métodos de análise.

PARÂMETROS DE OPERAÇÃO

Os parâmetros de processo estão intimamente relacionados com a perda de permeabilidade da membrana e um dos principais fatores é o “fouling”. O “fouling” é inevitável, mas pode ser controlado até certo ponto quando os mecanismos e as substâncias responsáveis são conhecidos. A figura 2 mostra como uma série de variáveis de engenharia afeta a permeabilidade por uma rede de interconexões entre as características da biomassa e a hidrodinâmica.

Figura 2: Interrelações entre os parâmetros de engenharia e a queda de permeabilidade.

Além do “fouling”, o “clogging”e a limpeza são fatores que influenciam a queda de permeabilidade.

Tradicionalmente três fatores afetam o “fouling”: a membrana, as características do lodo e os parâmetros de operação. Este último é subdividido em parâmetros biológicos e da membrana. Adicionando os fatores de aeração, dimensionamento do módulo e do tanque, temos o primeiro grupo da figura 2 chamado de parâmetros de design.

A determinação da biomassa existente permite avaliar as propriedades finais do sistema. Esta consiste de uma variedade de particulados, colóides e outras frações dissolvidas que irão influenciar a taxa de deposição de sólidos (“fouling”). Depois de iniciado o processo os sólidos suspensos se tornam substâncias viscosas e pegajosas que podem estar ligados aos flocos ou em suspensão. Estes compostos são chamados de EPS (substâncias poliméricas extracelulares) quando estão ligados aos flocos ou SMP (produtos microbianos solúveis) quando estão livremente suspensos no sobrenadante. Recentemente os termos biopolímeros ou clusters biopoliméricos (BPC) e as chamadas partículas exopoliméricas transparente (TEP) tem sido utilizadas. EPS e SMP consistem em polissacarídeos (PS), proteínas, lipídeos, ácidos nucléicos, etc. os quais são originados pela quebra das células, excreções metabólitas ou componentes do efluente não metabolizados.

Figura 3: Possíveis relações entre diferentes frações poliméricas.Dependendo do tipo de análise estes compostos não

conseguem ser separados e muitas vezes se sobrepõem nas medidas como pode ser visualizada na figura 3.

A característica do “fouling”pode ser determinado por diferentes ensaios tanto em escala laboratorial quanto em escalas maiores (fullscale). As características do “fouling” podem ser avaliados em termos quantitativos – resistência, aumento de resistência ou extensão da reversibilidade – e em termos qualitativos, ou seja, os mecanismos governantes e a influência destes nas diferentes frações envolvidas na deposição.

Em escala laboratorial

Grandes escalas de sistemas MBR normalmente trabalham a fluxo constante e um comportamento exponencial para a deposição é encontrada, podendo ser dividida em três estágios de queda de pressão (TMP). VER O QUE É TMP?????

“FOULING”

Fouling can be classified into different categories. Traditionally,the term reversible fouling refers to fouling that can be removed byphysical means such as backflushing or relaxation under crossflowconditions, while irreversible fouling refers to fouling which canonly be removed by chemical cleaning (e.g., Refs. [1,3,24]). Duringlong-term operation of a typical full-scale MBR, however, two moredistinct fouling rates can be observed (Fig. 1 and Table 1). Reversiblefouling occurs due to external deposition of material (cake filtration)and is mostly removed during filtration breaks or backflushcycles. The slope of the baseline is “irreversible” in that it is allevi-ated by maintenance cleans, leaving another baseline to be treatedby main cleans. Finally, irrecoverable fouling cannot be removedby any cleaning and occurs over long periods.Several attempts have been made to correlate permeabilitydecline with biomass concentration [1,30,31], floc size, sludgerheology [30], and concentration of bound or suspended extracellularpolymeric substances (EPS) (e.g., Ref. [32]). Still, due tothe complexity of the biological system and the lack of methodsand terminology standardisation, these are inconsistent and oftencontradictory [

Drews, A., 2010)COLOCAR ARTIGO SOBRE FLUXO CRÍTICO E CIP – WEI

E SOBRE FOULING DO DE LA TORRE

MERCADO

CONCLUSÃO

REFERENCIAS

DREWS, A., “Membrane fouling in membrane bioreactors – characterisation, contradictions, cause and cures”. Journal of Membrane Science 363 (2010).

Aeration and hydrodynamics in submerged membrane bioreactorsEtienne Braaka,∗, Marion Alliet a, Sylvie Schetritea, Claire Albasia,bJournal of Membrane Science 379 (2011) 1– 18

Critical flux and chemical cleaning-in-place during the longtermoperation of a pilot-scale submerged membranebioreactor for municipal wastewater treatmentChun-Hai Wei a,b, Xia Huang a,*, Roger Ben Aim c, Kazuo Yamamoto d, Gary Amybwater r e s e arch 4 5 ( 2 0 1 1 ) 8 6 3 e8 7 1

Characterization and filtration performance of coating-modifiedpolymeric membranes used in membrane bioreactors‡aJozef Kochan*, aThomas Wintgens, aThomas Melin, bJohn Erik WongChemical Papers 63 (2) 152–157 (2009)DOI: 10.2478/s11696-008-0096-x