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“Hacia un MBR sostenible: Reducción del ensuciamiento en Biorreactores de membrana”
Jose Antonio Mendoza RocaM. Amparo Bes Piá
Valencia, 11 marzo de 2014
Índice presentación
Introducción
‒ Concepto MBR
‒ Configuraciones
‒ Aplicaciones
‒ Ventajas e inconvenientes
¿Causas del ensuciamiento?
Acciones para reducir ensuciamiento
Introducción
Biorreactor de membrana (BRM)
Variante del proceso de fangos activos. Separación de labiomasa mediante ultrafiltración o microfiltración.
Problemas FA: “bulking” en el decantador secundario.
Sustitución decantación por flotación: aumentan costes yproblemas de calidad del agua.
Esquema proceso de fangos activos
DecantadorReactor
Biológico
Licor de mezcla
PurgaRecirculación de fangos
Alimentación Efluente
Introducción
Ventajas BRM
Evita ‘bulking’ mayor calidad en agua depurada.
Permite mantener más biomasa en el reactor, por lo quesupone ahorro de espacio.
Baja producción de fangos
Coliformes < 2,5 u/100mL
Turbidez < 0,5 NTU
Introducción
Aplicaciones
Cooperativa La Purísima, bodegas (Yecla): Caudal: 15m3/día. 8 módulos.
Natraceutical, extractos vegetales (Quart de Poblet).Caudal: 120 m3/h. 71 módulos (*)
TAVEX textil (Alginet). Caudal: 1440 m3/día (*)
EDARU Calasparra. Caudal: 2000 m3/día.
EDARU San Pedro del Pinatar. Caudal: 20000 m3/día.
EDARU Loriguilla. Caudal: 1.000 m3/día
Membranas
Microfiltración
0,1-0,5 mm
Tamaño de poro membranas
Ultrafiltración
0,01-0,05 mm Fibra hueca
Planas
Introducción
Biorreactor de membrana (BRM)
Planas
Configuraciones MBR
BRM con membranas no sumergidas
Agua
residual
Permeado
Rechazo
Permeado
Agua
Residual
BRM con membranas sumergidas
Membranas de la EDAR Lorca
Configuraciones MBR
BRM con membranas no sumergidas
Agua
residual
Permeado
Rechazo
Permeado
Agua
Residual
BRM con membranas sumergidas
Membranas de UF de MICROCLEAR. Instalación de Natraceutical
(MP Medioambiente)
Influente tamizado
Tubería común de recirculación del licor
mezcla
Canal de distribución del caudal
CanalDistribución
influente
Zona de
equipos
Zona demembranas
Zona aeróbica
Zona anóxica
Membranas dentro del reactor ZENON.Tecnología MBR ZeeWeed®. Diseño Modular Simple
Introducción
¿Desventajas?
Membranas de fibra hueca sucias
Ensuciamiento membranas
Costes de aireación
Costes bombeo
Jp
PTM
Ciclos limpieza
Ensuciamiento
Parámetros físicos
Parámetros químicos
Parámetros biológicos
membranas del BRM
Condiciones operación MBR
Características membrana
Características licor de mezcla
Aireación
Carga másica
Edad fango
Tiempo de retención hidráulico
EPS = e-EPS + SMP
¿Causas del ensuciamiento?
Quorum Sensing
¿Cómo controlar el ensuciamiento?
Operating Conditions
BIOFILM
MEMBRANE
MEMBRANE BIOREACTOR
MIXED LIQUOR
BIOFOULING
Promote
Quorum Quenching
Membrane
modification
Caracterización del licor de mezcla
Parámetros físicos Parámetros biológicosParámetros químicos
Características licor mezcla
Caracterización del licor de mezcla
Parámetros físicos
Sólidos en suspensión en el licor de mezcla (filtración a 0,45 µm) (x2) Sólidos en suspensión volátiles en el licor de mezcla (x2) Tiempo de succión capilar (x2) Viscosidad (x1) V30 (volumen sedimentado a los 30 minutos/unidad de masa de fango) (x1) Potencial Z del sobrenadante del licor del fango (x3) Distribución de tamaño de partícula del licor del fango (x3) Las resistencias del licor de mezcla a la MF o UF(x3)
Las resistencias del licor de mezcla a las membrana
Modelo: Bae, T.H. y Tak, T.M (Rc, Rf y Rt) Condiciones de operación: MBR de Loriguilla Membrana de Microfiltración (KUBOTA), A= 0,11 m2.
Caracterización del licor de mezcla
Parámetros físicos
Parámetros físicos Parámetros biológicosParámetros químicos
Características licor mezcla
EPS
Caracterización del licor de mezcla
Parámetros químicos
¿Qué son las EPS?
Sustancias poliméricas extracelularesEPS, Extracellular polymeric substances
Licor de mezcla
SMP
Hidrólisis
Difusión
eEPS
EPSeEPS SMP
Proteínas Carbohidratos Proteínas Carbohidratos
Célula
“e” de extraídas
Flóculos
productos solubles microbianos
¿Qué son las EPS?
¿Cómo extraer las EPS?
SMP
Hidrólisis
Difusión
Ácidos nucleicos (ADN)
CélulaMétodos de extracción
FísicosQuímicosCombinaciones
“e” de extraídas
¿Problemas?
eEPS eEPS
Extracción agresiva1.
2. Interferencias métodos extracción y métodos analíticos
Rotura membrana celular Salida ácidos nucleicos
¿Consecuencias? ¡¡¡Concentraciones erróneas Proteínas y Carbohidratos!!!
¿Cómo separar las EPS?
Desechar el sobrenadante
Fango diluido a 1 g SSV/L
Centrifugación 12000 xg, 15 min, 4ºC
Resuspender los pellets con tampón Tris-HCl
SMP
Centrifugación 12000 xg, 15 min, 4ºC
Métodos de Extracción
Homogeneiz.CER 0,5 % Triton X-100
Ultra-Turrax, 2 min, 4ºC, 20000 xg
Triton X-100, 1 h, 4ºC, 500 rpm
Ultra-turrax2 min, 4ºC20000 xg
Triton X-1001 h, 4ºC500 rpm
Centrifugación 15 min, 4 ºC, 20000xg eEPS 1
Ultra-turrax4 min, 4ºC
8000 xg
eEPS 1 eEPS 2 eEPS 2
Centrifugación 15 min, 4 ºC, 20000 xg
4 h 4ºC 70gCER/gVSS
800 rpm
Métodos de extracción eEPS
CER
70gCER/gVSS1 h 4ºC
800 rpm
70gCER/gVSS1 h 4ºC, 800 rpm
eEPS 2
productos solubles microbianos
Parámetros físicos Parámetros biológicosParámetros químicos
Características licor mezcla
Métodos extracción
H + CER H 1 + 2 TRITÓN 1 + 2 CER 1+2
EPS
e-EPSSMP
Procesos de extracción de EPS contenidos en el licor de mezcla.
Caracterización del licor de mezcla
Parámetros químicos
Parámetros físicos Parámetros biológicosParámetros químicos
Características licor mezcla
Métodos extracción
EPS
e-EPSSMP
PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS ADN
Métodos análisis
Parámetros químicos
Caracterización del licor de mezcla
Métodos analíticos
Método BCA “ácido bicinconínico”
Método LOWRY
Método DUBOIS
Método ANTRONA
Método HS (0,2-100 ng)
Método BR (2-1000 ng)
Proteínas
Carbohidratos
ADN
Métodos analíticos
Parámetros físicos Parámetros biológicosParámetros químicos
Características licor mezcla
Métodos extracción
EPS
e-EPSSMP
PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS ADN
Métodos análisis
Parámetros químicos
Influence of extraction methods on proteins and carbohydrates analysis fromMBR activated sludge flocsin view of improving EPS determination
*SEPPUR 112 (2013) 1–10
Caracterización del licor de mezcla
Parámetros físicos Parámetros biológicosParámetros químicos
Características licor mezcla
Métodos extracción
EPS
e-EPSSMP
PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS ADN
Métodos análisis
PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS ADN
Métodos Ópticos
Comparación métodos análisis y ópticos
Parámetros químicos
Métodos ópticos
Protocolos de tinción
e-EPS
Referencia
bibliográficaProteínas Carbohidratos ADN
O. Nosyk, et al.FITC,
l 490/510 nm
TRITC-Con A 0.1 g/L, l
505/543 nm
DAPI
l 350/470 nm
F.Y. Sun, X.M. et alNanoOrange, l
560/585 nm
TRITC-Con A 0.25 g/L,
l 505/543 nm
SYTO 9, l
505/530 nm
Fijación células(Formaldehido 3,7%)
Protocolos tinciónTabla
Observación muestras
Análisis imagen
Programa Matlab(Autor: Borrás)
Microscopio Olympus BX50F
Parámetros físicos Parámetros biológicosParámetros químicos
Características licor mezcla
Caracterización biológica
Kit: LIVE/DEAD © BaclightTM bacterial viability Mol. Probes Microscopio BX50F (Olympus) DP10 adquisición imágenes Programa BioImageL™ v. 2.1 análisis de las imágenes
Viabilidad celular
Caracterización del licor de mezcla
¿Cómo controlar el ensuciamiento?
Operating Conditions
BIOFILM
MEMBRANE
MEMBRANE BIOREACTOR
MIXED LIQUOR
BIOFOULING
Promote
Quorum Quenching
Membrane
modification
¿Qué es el BIOFILM o BIOPELÍCULA?
¿Por qué se forma el BIOFILM?.....Quorum Sensing
¿Cómo controlar el ensuciamiento?
Interacciones entre diferentes poblaciones bacterianasque forman la BIOPELÍCULA.
¿Qué es el Quorum Sensing (QS)?
¿Cómo evitar el Quorum Sensing?
...favoreciendo el Quorum Quenching…
Autoinductores
N-Acyl homoserinelactose (AHL)
¿Cómo controlar el ensuciamiento?
La inhibición de las interacciones entre diferentespoblaciones bacterianas que forman la BIOPELÍCULA.
¿Qué es el Quorum Quenching (QQ)?
Para ello hay que indentificar y aislar los microorganismosformadores de Biofilm y determinar las enzimas (acylaseenzyme) que inhiben el QS (QQ) para reducir laBIOPELÍCULA.
¿Cómo favorecer el QQ?
Autoinductores
Enzimas
Enzimas
Conclusiones
Los BRM se caracterizan por la calidad del agua depuradaen comparación con otras técnicas.
Se trata de una técnica de alto coste por el elevadoconsumo energético y el ensuciamiento de la membrana.
La caracterización exhaustiva del licor de mezcla es elprimer paso a seguir para reducir el ensuciamiento de lasmembranas y hacer del BRM una tecnología mássostenible.