Estudio De Biorreactor De Membrana Para El Tratamiento De

Edgardo D. Vásquez R.

Estudio De Biorreactor De Membrana Para El Tratamiento De Aguas Residuales Urbanas.

I

ESTUDIO DE BIORREACTOR DE

MEMBRANA PARA EL

TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES URBANAS

Máster Universitario en Gestión Sostenible y Tecnologías del

Agua

Trabajo Fin de Máster

Autor:


Tutor/es:

Daniel Prats Rico / Arturo Trapote Jaume

Julio 2015



II

Muchas veces la malicia o la estupidez pondrán obstáculos a la nueva idea; de ahí que es

preciso luchar arduamente para lograr la tolerancia mutua e incondicional. Sólo así la

ciencia florece y avanza, pues su fundamento es la libre experimentación e investigación.

Max Nettlau



III

AGRADECIMENTOS.

Primero y antes que nada, dar gracias a Dios, por estar conmigo en cada paso que

doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y por haber puesto en mi camino

a aquellas personas que han sido mi soporte y compañía durante todo el periodo de

estudio.

Al Dr. Daniel Prats y al Dr. Arturo Trapote que con su seriedad científica, sus

conocimientos y sus orientaciones hicieron de esta experiencia académica algo muy

satisfactorio.

A María José Moya y Lyvia Mendes por brindarme su paciencia, conocimiento,

tiempo y el gran apoyo recibido de su parte.

A María de los Ángeles y Maria Giulia Pacazocchi

por estar siempre dispuesta a ayudar.

A los funcionarios del Instituto de agua y ciencias Ambientales, que con buena

voluntad me atendieron durante este periodo de tiempo.

A mi Madre y mi familia que desde lejos me dan ánimo y un gran apoyo moral.

A todos de Corazón, GRACIAS.



IV

INDICE

INDICE DE FIGURA. ....................................................................................................... VII

INDICE DE TABLAS ......................................................................................................... IX

INDICE DE ECUACIONES. ............................................................................................... X

SIGLAS Y ABREVIATURAS ........................................................................................... XI

RESUMEN ....................................................................................................................... XIII

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ XIV

2 ESTADO DEL ARTE ................................................................................................... 1

2.1 EL MBR FRENTE AL SISTEMA CONVENCIONAL. ....................................... 1

2.2 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS MBR. ........................................... 4

2.2.1 Ventajas ........................................................................................................... 4

2.2.2 Inconvenientes ................................................................................................. 5

2.3 CONFIGURACIONES DE LOS MBR .................................................................. 6

2.4 TIPOS DE BIORREACTORES DE MEMBRANA (MBR). ................................. 7

2.5 MEMBRANAS. ...................................................................................................... 9

2.6 PARÁMETROS DE DISEÑO Y OPERACIÓN .................................................. 15

2.6.1 Flujo o Carga Hidráulica. .............................................................................. 17

2.6.2 Conversión. .................................................................................................... 18

2.6.3 Rechazo. ........................................................................................................ 19

2.6.4 Presión transmembrana.................................................................................. 19

2.6.5 Permeabilidad. ............................................................................................... 21

2.6.6 Resistencia a la filtración. .............................................................................. 21

2.6.7 Recuperación de la membrana. ...................................................................... 22

2.6.8 Aireación. ...................................................................................................... 22

2.6.9 Concentración de MLSS. ............................................................................... 24

2.6.10 Edad del fango. .............................................................................................. 25

2.6.11 Tiempo de retención hidráulica en reactor. ................................................... 26



V

2.6.12 Carga Másica ................................................................................................. 27

2.7 ENSUCIAMIENTO DE LAS MEMBRANAS .................................................... 28

2.7.1 Factores que influyen en el ensuciamiento .................................................... 30

2.7.2 Sustancias Poliméricas Extracelulares........................................................... 31

2.7.3 Limpiezas de las Membranas ........................................................................ 31

3 OBJETO Y ALCANCE DEL PROYECTO. ............................................................... 33

3.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 33

3.2 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO. ........................................................ 33

3.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. .............................................................................. 33

4 MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................... 34

4.1 PLANTA PILOTO. .............................................................................................. 34

4.1.1 Descripción De La Planta. ............................................................................. 34

4.1.2 Mebrana Utilizada ......................................................................................... 36

4.1.3 Sistema De Bombeo ...................................................................................... 38

4.1.4 Otros Equipos ................................................................................................ 41

4.1.5 Calidad del Agua a Tratar .............................................................................. 42

4.2 PUESTA EN MARCHA DE LA PLANTA PILOTO. ......................................... 42

4.3 PLANIFICACIÓN DE EXPERIMIENTOS ......................................................... 46

4.3.1 Ensayos .......................................................................................................... 46

4.3.2 Técnicas Analíticas ........................................................................................ 47

5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................. 64

5.1 PARÁMETROS OPERACIONALES .................................................................. 64

5.2 REDUCCIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA ................................................. 66

5.3 SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN .............................................................................. 67

5.3.1 Respirometría ................................................................................................ 69

5.4 REDUCCIÓN DE NUTRIENTES ....................................................................... 73

5.4.1 Nitrógeno Total ............................................................................................. 73



VI

5.4.2 Fosforo Total ................................................................................................. 74

5.5 REDUCCIÓN DE SUSTANCIAS PRIORITARIAS. .......................................... 76

6 CONCLUSIONES ....................................................................................................... 80

7 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 82



VII

INDICE DE FIGURA.

Figura 2.1: diferencia entre un sistema convencional de lodos activados y un MBR. (López,

2012) ...................................................................................................................................... 3

Figura 2.2: Esquema de funcionamiento de un MBR con membranas sumergidas internas

(Gálvez, 2007). ...................................................................................................................... 7

Figura 2.3: Diferentes configuraciones de MBRs. (López, 2012)......................................... 8

Figura 2.4: Esquema genérico de la separación mediante membranas. (Prats, 2015). .......... 9

Figura 2.5: Tipos de flujo en filtración con membranas. (López, 2012). ............................ 10

Figura 2.6: Procesos de membranas con sus respectivos rangos de separación. (Prats,

2015)…………………….. .................................................................................................. 11

Figura 2.7: Módulo de placa‐bastidor (Prats, 2015). ....................................................... 12

Figura 2.8: Módulo de arrollamiento en espiral. (Prats, 2015). ........................................ 13

Figura 2.9: Módulo De Membrana Tubular. (Prats, 2015) ............................................... 14

Figura 2.10: Módulo capilar o de fibra hueca. (López, 2012). ............................................ 15

Figura 2.11: Esquema de funcionamiento de una membrana (o de un módulo de membranas).

(Trapote Jaume, 2013). ........................................................................................................ 16

Figura 2.12: Esquema de flujos en la membrana (FUNDACIÓN CENTRO CANARIO DEL

AGUA, 2003). ..................................................................................................................... 17

Figura 2.13: Relación entre la temperatura y el flujo (Flux). (Metcalf, y otros, 2014). ...... 18

Figura 2.14: Tipos de filtrado: (a) filtración directa, (b) filtración tangencial (Poyato Capilla,

2007). ................................................................................................................................... 20

Figura 2.15: Difusores sumergidos. ..................................................................................... 23

Figura 2.16: Efecto de la concentración de SSLM (MLSS) en los valores de α (alpha factor)

en sistemas de aireación porosos. (Metcalf, y otros, 2007). ................................................ 24

Figura 2.17: Efecto de la concentración de SSLM (MLSS) en los valores de α (Alfa Factor),

según diversos autores (Fuente: www.onlinembr.info, citado por CEDEX, 2014). ........... 25

Figura 2.18: Ensuciamiento De Membrana por la Formación De Una Capa De Sólidos

Superficial u Obstrucción De Los Poros. (Prats, 2015). ...................................................... 29

Figura 4.1: Planta piloto y membrana. ................................................................................ 36

Figura 4.2: Esquema de la planta piloto. (López, 2012)...................................................... 36

Figura 4.3: Bomba peristálticas Dosiper ............................................................................. 39

Figura 4.4: Bomba Peristáltica Watson ............................................................................... 40

Figura 4.5: bomba Aqua Medic modelo Mistral 4000 ........................................................ 40



VIII

Figura 4.6: Sistema de Bombeo de la Planta Piloto ............................................................ 41

Figura 4.7: Cuadro de control (a), Sonda de Oxígeno (b) y Sensor de PTM (c) ................. 41

Figura 4.8: Recta de Calibrado de La Bomba de permeado ................................................ 43

Figura 4.9: Calibración de Bomba de Permeado ................................................................. 45

Figura 4.10: Diagrama de Flujo de la Planta Piloto. (Trapote Jaume, 2013) ...................... 46

Figura 4.11: Equipo de Medición del pH ............................................................................ 48

Figura 4.12: Equipos Utilizados: Balanza (a), Sistema de Filtración (b) y la Estufa (c). ... 50

Figura 4.13: Equipos utilizados para obtener la DQO: digestor(a) y espectrofotómetro (b).

............................................................................................................................................. 51

Figura 4.14: Ensayo OUR. .................................................................................................. 55

Figura 4.15: Ensayo RS. ...................................................................................................... 57

Figura 4.16: Respirómetro BM-T ........................................................................................ 59

Figura 5.1: Ciclos de Permeado y retrolado durante la filtración ........................................ 64

Figura 5.2: La PTM se mantiene Constante Frente a los MLSS. ........................................ 65

Figura 5.3 Flujo durante los días de operación .................................................................... 65

Figura 5.4: Seguimiento de la DQO, alimentación con agua residual sintética. ................. 67

Figura 5.5: Evolución de los SST en el reactor biológico y su Influencia en la calidad del

permeado. ............................................................................................................................ 68

Figura 5.6: OBSERVACIÓN DE LA BIOMASA BAJO EL MICROSCOPIO. ................ 69

Figura 5.7: Respirograma .................................................................................................... 70

Figura 5.8: Ensayo OUR ..................................................................................................... 70

Figura 5.9: Cálculo de la Ecuación de la Recta ................................................................... 72

Figura 5.10: Potencial de reducción del Nitrógeno Total .................................................... 74

Figura 5.11: Potencial de Reducción del Fosforo................................................................ 75

Figura 5.12: Influencias del pH en Las Reducciones De Nutrientes ................................... 76

Figura 5.13: Ensayos de determinación de Sustancias Prioritarias en el Efluente .............. 77

Figura 5.14: Reducción media de las Sustancias Prioritarias .............................................. 78



IX

INDICE DE TABLAS

Tabla 2.1: Reactivos más empleados para la limpieza química según el tipo de ensuciamiento

(Bernal Romero del Hombre Bueno, M.A., 2012). ............................................................. 32

Tabla 4.1: Características técnicas de la membrana Micronet R ......................................... 37

Tabla 4.2: Composición del Alimento Concentrado. .......................................................... 42

Tabla 4.3: Caudales de la Bomba de permeado. ................................................................. 43

Tabla 4.4: Tipos y Frecuencia de Ensayos .......................................................................... 47

Tabla 4.5: Lista de Sustancias prioritarias Inoculados a la Planta....................................... 59

Tabla 4.6: Proceso de extracción en fase sólida. ................................................................. 61

Tabla 4.7: Listado de compuestos. Iones de cuantificación (principal) y de confirmación. 63

Tabla 5.1: datos del ensayo RS ............................................................................................ 71

Tabla 5.2: Resultados de las respirometría .......................................................................... 72



X

INDICE DE ECUACIONES.

Ecuación 2.1: Flujo o Carga Hidráulica. ............................................................................. 17

Ecuación 2.2: Conversión. ................................................................................................... 18

Ecuación 2.3: Conversión en Porcentaje. ............................................................................ 18

Ecuación 2.4: Rechazo. ....................................................................................................... 19

Ecuación 2.5: Rechazo en Porcentaje. ................................................................................. 19

Ecuación 2.6: Presión transmembrana................................................................................. 20

Ecuación 2.7: Presión Transmembrana considerando la presión de permeado. .................. 20

Ecuación 2.8: Presión Transmembrana ............................................................................... 21

Ecuación 2.9: Permeabilidad. .............................................................................................. 21

Ecuación 2.10: Resistencia a Filtración. .............................................................................. 21

Ecuación 2.11: Recuperación de Membrana. ...................................................................... 22

Ecuación 2.12: Recuperación de Membrana en Porcentaje. ............................................... 22

Ecuación 2.13: Edad del Fango. .......................................................................................... 25

Ecuación 2.14: Caudal de Purga. ......................................................................................... 26

Ecuación 2.15: Tiempo de Retención Hidráulico. ............................................................... 27

Ecuación 2.16: Carga Másica. ............................................................................................. 27

Ecuación 2.17: Relación Food to Microorganisms. ............................................................ 28

Ecuación 2.18: Tiempo de residencia Hidráulico. ............................................................... 28

Ecuación 4.1: Cálculo de los Sólidos en Suspensión .......................................................... 49

Ecuación 4.2: Ensayo OUR ................................................................................................. 55

Ecuación 4.3: Ensayo SOUR ............................................................................................... 55

Ecuación 4.4: Descomposición Endógena .......................................................................... 56

Ecuación 4.5: coeficiente de rendimiento de la biomasa heterótrofa .................................. 58

Ecuación 4.6: rendimiento de la biomasa heterótrofa (Microorganismos) ......................... 58



XI

SIGLAS Y ABREVIATURAS

Símbolo Significado

MBRs Biorreactores de Membrana

MLSS Sólidos en suspensión en el Licor Mezcla

DQO Demanda Química de Oxígeno

SS Sólidos en Suspensión

TRH Tiempo de Retención Hidráulica

MF Microfiltración

UF Ultrafiltración

J Flujo o Carga Hidráulica

Qa Caudal de Alimentación

Qp Caudal de Permeado

Qr Caudal de Recirculación

Qe Caudal del efluente

Ce Concentración de la alimentación.

Cp Concentración del permeado.

Cr Concentración del retenido

CH Carga Hidráulica o Flujo

Sm Superficie de la Membrana

Y Conversión

R Rechazo

Pa Presión de Alimentación

Pr Presión de Rechazo

Pp Presión de Permeado

Patm Presión Atmosférica

K Permeabilidad

RF Resistencia a la Filtración

µ Viscosidad del Fluido

RM Recuperación de la Membrana

Kv Permeabilidad Virgen

Kf Permeabilidad final tras Limpieza Química

Ki Permeabilidad inicial previa Limpieza Química

EPS Sustancias Poliméricas Extracelulares

E Edad del Fango

V Volumen del Reactor

X Concentración de SS en el Reactor

Xw Concentración de SS en la Purga



XII

Xe Concentración de SS en el efluente

F/M Relación Sustrato – Microorganismo o carga Másica

FM Membrana de Fibra Hueca

PP Membrana plana

EC Sustancias prioritarias

OD Oxígeno Disuelto

pH Potencial Hidrogeniónico

M1 Masa del Filtro + residuo tras el secado a 105° C

M0 Masa del Filtro

OUR Oxygen uptake Rate

SOUR Specific Oxygen Utake Rate

Kd Constante de decomposición endógena

YH,COD Crecimiento Heterótrofo relativo a la demanda de Oxígeno

YH,MLVSS Crecimiento Heterótrofo relativo a la concentración de Microorganismos.

Rs Velocidad de Consumo de Oxígeno por la adición de sustrato

T Temperatura

t Tiempo

Nt Nitrógeno Total

Pt Fósforo Total

ppb Partes por billón



XIII

RESUMEN

Desde su aparición en el mercado, los biorreactores de membrana sumergidas (MBR) se han

convertido en una de las tecnologías más prometedoras para el tratamiento de aguas

residuales. Pese a que su empleo se ha visto limitado por el elevado consumo energético o

por los problemas de ensuciamiento de membrana, ventajas como la calidad del efluente

obtenido, las posibilidades de trabajar a altas concentraciones de SS y los menores requisitos

tanto en tiempo como en espacio necesarios para que tengan lugar la depuración, la han

convertido en una de las alternativas ampliamente utilizadas en todo el mundo.

Esta investigación estudió la puesta en marcha y la operación de un sistema MBR para el

tratamiento de un agua residual urbana a carga media.

El sistema MBR está compuesto por un módulo de membranas de fibra hueca de

microfiltración de 2 m2 de área filtrante en un reactor de 90 L.

La planta piloto estuvo controlada por un autómata conectado a un ordenador, con registro

continuo de la presión transmembrana (PTM), oxígeno disuelto (OD), temperatura y sensor

de nivel en el reactor para controlar las necesidades de alimentación del sistema.

Los objetivos de la investigación principalmente son evaluar la puesta en marcha y la

operación de la planta, la eliminación de materia orgánica, el potencial de eliminación de

nutrientes, la eliminación de sustancias prioritarias.

Para simular el tratamiento de un agua residual urbana de media carga orgánica, se alimentó

con agua sintética. La DQO en el afluente estuvo entre 450 y 950 mg/L, la concentración de

nitrógeno total en un rango de 65 a 125 mg/L y la concentración de fósforo alrededor de 19

mg/L.

La planta trabaja a tiempos de residencia de 21 horas, temperatura ambiente, concentraciones

de oxígenos de 1 a 5 mg/L y flujo promedio de 2.72 L/m2*h.

Durante todo el período de operación la eficacia de eliminación global de DQO estuvo en

un promedio de 96% alcanzando concentración de SS de 5.7 g/L.

El porcentaje promedio de eliminación global de nitrógeno y fósforo total fueron de 34 y

40%, respectivamente.

La reducción de las sustancias prioritarias se evalúa inoculando 10 ppb de cada compuesto

en el afluente. De las sustancias prioritarias estudiadas se determina, que las triazinas

(simazina, atrazina y terbutilazina) son las que presentan menor grado de eliminación con

valores medios de 20.7%, 47% y 77 % respectivamente. Mientras que los organoclorados se

reducen en el orden del 85 y 99 %.



XIV

INTRODUCCIÓN

De forma genérica, los biorreactores de membrana (Membrane Bio-Reactor, MBR) pueden

ser definidos como sistemas en los que se integra la degradación biológica de los efluentes

de aguas residuales con una filtración por membrana (Cicek, y otros, 1998).

Las técnicas biológicas de tratamiento de aguas residuales se vienen usando desde hace más

de cien años. De todos los procesos que se han desarrollado para el tratamiento de las aguas

residuales el sistema convencional de fangos activados ha sido el más extendido.

Por su parte, la tecnología de membrana, en un principio se vio limitado su uso y solamente

se empleaba como tratamiento de afino o para la desalación de agua de mar. El uso de

membranas en el tratamiento de las aguas residuales es más reciente y se han empleado en

aquellas situaciones donde había requerimientos de vertido rigurosos o donde se pretendía

reutilizar el agua depurada.

Los factores principales que han limitado el desarrollo de la tecnología de membrana han

sido el elevado coste de inversión y de operación. Sin embargo, con la aparición de

novedosos módulos de membrana menos costosos y más efectivos junto con el

endurecimiento de los requisitos de vertido, la tecnología de membrana ha vuelto a cobrar

interés. Son numerosas las vías de investigación que en la actualidad se mantienen abiertas.

El uso de los MBR no se reduce a estudios en plantas piloto, pues ya son muchas las

instalaciones que funcionan en distintas partes del mundo a escala real (Aileen , y otros,

2007). Los usos actuales incluyen el tratamiento y reutilización de agua en comunidades y

edificios, el tratamiento de aguas residuales municipales y el tratamiento de efluentes en

determinadas industrias (Manem , y otros, 1996). Existen varias áreas de aplicación muy

prometedoras que están todavía en fase de desarrollo y que requieren una mayor evaluación

experimental, entre las que se encuentra el tratamiento de efluentes procedentes de

actividades ganaderas, aguas residuales de industrias alimentarias, tratamiento de lixiviados

de vertederos, la eliminación de herbicidas y pesticidas de las corrientes de aguas residuales,

la eliminación biológica de los nitratos y reducción de las sustancias prioritarias conocidas

como sustancias prioritarias.

Dada las posibles aplicaciones, la Universidad de Alicante a través de El Instituto de Aguas

y Ciencias Ambientales se propone el estudio de las reducciones de materia orgánica,



XV

nutrientes y algunas familias de las sustancias prioritarias mediante una planta piloto de

Biorreactor de Membrana.

La planta piloto consiste en un sistema de Bioreactor de Membrana sumergido de 90 L. Los

MBRs son sistemas que combinan el proceso biológico de fangos activados y la

microfiltración con membranas de Porous Fibers Micronet R 2 m2. Aunque el proceso

biológico es básicamente el mismo, existen diferencias bien marcadas respecto a los

parámetros operacionales; el tratamiento físico de separación sólido-líquido establece la

mayor diferencia entre ambos, afectando de forma directa al tratamiento biológico. Las

membranas de microfiltración Porous Fibers Micronet R 2 m2 están inmersas en un tanque

de aireación, en contacto directo con el licor mezcla. Por medio de una bomba de permeado,

se aplica un vacío al colector conectado con las membranas. El vacío dirige el agua tratada

a través de la fibra hueca de las membranas de microfiltración. El permeado se dirige

entonces a descarga. Intermitentemente se introduce aire en la parte inferior del módulo de

membranas, produciendo una turbulencia que limpia la superficie externa de las fibras. Esta

acción de limpieza separa los sólidos de la superficie de la membrana.

La planta está compuesta por una estructura móvil, que contendrá la gran mayoría de los

equipos, sistema de aireación, equipos de bombeo, cuadro eléctrico, etc., y un depósito fijo

prismático de metacrilato donde se ubicará la membrana de fibra hueca, de 2 m2 de superficie

filtrante.

Esta planta según su diseño puede tratar aguas residuales urbanas e industriales. Podrá operar

con una carga másica entre 0,07 y 0,15 kg DBO5/kg MLSS·d, a una concentración de sólidos

suspendidos entre 8 y 12 g/L y a una edad de lodo de 20-40 días.

El objetivo general es la puesta en marcha de la planta piloto, estabilizarla a carga media e

introducirle las familias de sustancias prioritarias. Además de evaluar las reducciones de

materia orgánica y de nutrientes se busca reducir las sustancias prioritarias.



1

2 ESTADO DEL ARTE

En esta etapa previa como cualquier trabajo experimental, se ha realizado una recopilación

bibliográfica con el objetivo de obtener un documento sobre el arte de la tecnología MBR.

Entre las fuentes bibliográficas consultadas señalar las siguientes: bases de datos de la

biblioteca de la Universidad de Alicante, fondos de revistas en formato papel, algunos libros,

etc.; pero la herramienta que ha permitido obtener una mayor información ha sido las

Publicaciones de la Universidad de Alicante. También se ha accedido a diferentes tesis

doctorales que versan sobre la tecnología objeto del estudio.

El MBR es una modificación del sistema convencional de fangos activados, en el que se

sustituye el decantador secundario -y el tratamiento terciario- por unidades de membrana de

ultrafiltración (tamaño de poro entre 0,005 y 0,1 µm) o de Microfiltración (tamaño de poro

entre 0,1 y 1 µm), para producir un efluente libre de sólidos en suspensión y de

microorganismos. Se trata de sistemas en los que se integra la degradación biológica de los

afluentes (biodegradación) con la filtración de membrana (separación sólido-líquido) (Cicek,

y otros, 1998).

2.1 EL MBR FRENTE AL SISTEMA CONVENCIONAL.

El presente proyecto se centra en la puesta en marcha de un sistema escala piloto de

depuración de aguas residuales mediante la tecnología de biorreactor de membranas (MBR

- Membrane Bio-Reactor).

La tecnología MBR comprende la combinación del sistema convencional de lodos activados

con la filtración mediante membranas.

El tratamiento de aguas residuales mediante procesos de fangos activados consiste en la

degradación biológica de la materia orgánica bajo condiciones aeróbicas (aireación mediante

difusores o sistemas mecánicos), en un reactor de biomasa suspendida. Una vez que el agua

residual ha sido tratada en el reactor, la masa biológica resultante es separada del líquido en

un tanque de sedimentación de donde se extrae el agua tratada y parte de los sólidos

sedimentados son retornados al reactor con el objetivo de mantener una concentración

determinada de sólidos en el reactor (Metcalf, y otros, 1995). La masa sobrante es purgada

para su posterior tratamiento y gestión de los lodos de depuradoras.

Los MBRs son sistemas que combinan el proceso biológico de fangos activados y la

filtración con membranas. Aunque el proceso biológico es básicamente el mismo, existen



2

diferencias bien marcadas respecto a los parámetros operacionales; el tratamiento físico de

separación sólido-líquido establece la mayor diferencia entre ambos, afectando de forma

directa al tratamiento biológico.

En el tratamiento de fangos activados la separación sólido-líquido se realiza mediante un

clarificador secundario y en cambio en los MBR esta separación se realiza como su nombre

indica, mediante el uso de membranas. El sistema de fangos activados puede presentar

adicionalmente, una filtración con membranas.

En general, en comparación con los sistemas convencionales de fangos activos, las

instalaciones y reactores de los MBRs son más pequeños y la producción de fango es mucho

menor. Por otro lado, las altas edades de fango en MBRs permiten trabajar con altas

concentraciones de sólidos suspendidos (SS) y disminuir los tiempos de retención hidráulica

(TRH). La calidad de permeado obtenido en lodos activados sería comparable con aquella

obtenida en MBRs, solo si se contara con tratamiento terciario posterior.

En la Figura 2.1 se muestra un esquema comparativo de ambos sistemas.



3

a) Esquema de sistema de lodos activados.

b) Esquema de sistema de biorreactor de membranas.

FIGURA 2.1: DIFERENCIA ENTRE UN SISTEMA CONVENCIONAL DE LODOS ACTIVADOS Y UN MBR. (LÓPEZ, 2012)



4

2.2 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS MBR.

2.2.1 VENTAJAS

La utilización de MBRs para el tratamiento de aguas residuales conlleva una serie de ventajas

respecto al sistema convencional:

Tamaño compacto de la instalación:

El volumen del reactor MBR es entre 2 y 5 veces inferior al del sistema convencional, para

la misma carga másica de trabajo. Esto se debe a que la concentración de fango en el

biorreactor es mucho mayor que en un sistema convencional. Las concentraciones típicas de

un sistema aerobio convencional están entre 2 y 6 kg/m3, ya que a concentraciones mayores

no se consigue decantar todo el fango. En un MBR se puede llegar hasta 20-30 kg/m3

(Yamamoto, y otros, 1991), aunque los valores óptimos de concentraciones de biomasa para

los MBRs se encuentran entre 8 y 12 kg/m3 (Judd, y otros, 2006) (Rosenberger, y otros,

2005).

Además, el MBR ahorra el espacio que suponen tanto el decantador secundario como el

sistema terciario del sistema convencional para llegar a la misma calidad del efluente.

Respecto al área total de la planta, se observa que para el MBR puede ser entre 2 y 3 veces

menor que para el convencional (Comparison of Membrane Options for Water Reuse and

Reclamation, 2004).

Elevada calidad y altos niveles de desinfección del agua tratada:

La calidad del agua permeada es excelente ya que no depende de la mejor o peor decantación

del fango, sino que el agua atraviesa las membranas de micro o ultrafiltración en donde

quedan retenidos los SS y coloides. Por otra parte, la membrana también actúa como barrera

para bacterias y virus (Langlais, y otros, 1992) (Kolega, y otros, 1991) disminuyendo su

presencia en el permeado, posibilitando una reducción en la utilización de reactivos químicos

desinfectantes como el ozono o el cloro.

Si no existe rotura de membranas se obtendrá un permeado libre de SS y de turbidez. Los

rendimientos de eliminación de materias orgánicas y nutrientes son también muy elevados,



5

alcanzándose una elevada calidad de agua tratada. Este factor es de gran importancia para la

reutilización de las aguas tratadas.

Elevada tasa de degradación de los contaminantes:

En los MBRs es posible mantener una edad del fango muy elevada que favorece, entre otras

cosas, el desarrollo de microorganismos de crecimiento lento como los nitrificantes o

bacterias que degradan compuestos complejos. Esto crea un licor de mezcla más activo,

capaz de degradar una gama más amplia de compuestos.

Menor producción de lodos:

La producción de fangos es menor que en un sistema convencional de lodos activados,

normalmente de un 30-50 % inferior. Esto se debe a que por la alta edad de fango se logran

tasas de utilización de sustrato y constantes de velocidad media muy superiores a los

sistemas convencionales, lo que implica que la mayor parte del sustrato se utiliza para

obtener energía en lugar de producir biomasa.

2.2.2 INCONVENIENTES

A pesar de que la utilización de MBRs para el tratamiento de aguas residuales ofrece muchas

ventajas comparado con los sistemas tradicionales, existen algunas limitaciones que por el

momento impiden su mayor difusión:

Ensuciamiento de membranas.

El ensuciamiento de membranas es uno de los mayores problemas que existe en la tecnología

MBR y determina que su comercialización no se extienda actualmente de modo general.

Este viene dado por dos fenómenos: el ensuciamiento dentro del poro y la deposición de una

capa de lodo sobre la superficie de la membrana (Meng, y otros, 2009), la cual se considera

el componente predominante en el ensuciamiento. El ensuciamiento conlleva a una

reducción del flujo de permeado o al incremento de la PTM. Esto implica la necesidad de

realizar ciclos de limpieza, los cuales se realizan de forma física, mediante la aireación y la

relajación/retrolavado de las membranas, y química, mediante el uso de reactivos en

dependencia de la naturaleza orgánica o inorgánica de las incrustaciones.

Coste de instalación y sustitución de membranas:



6

Las unidades de membranas tienen un coste elevado y una vida útil que actualmente está

limitada entre 5 y 8 años, por lo que su instalación y reposición constituye un gasto a

tener en cuenta.

Consumo energético.

El alto consumo energético es otro de los inconvenientes esenciales de esta tecnología. El

coste del consumo de energía por metro cúbico de agua depurada en los MBR puede oscilar

entre 0,6 y 1,5 kWh/m3, mientras que para un sistema de lodos activados convencional está

entre 0,38 y 0,48 kWh/m3.

Acumulación de sustancias tóxicas en el biorreactor:

La acumulación en el biorreactor de compuestos inorgánicos no filtrables como metales

pesados, que a determinadas concentraciones pueden ser dañinos para la población

bacteriana o afectar a la integridad de la membrana, puede afectar al correcto funcionamiento

del sistema.

2.3 CONFIGURACIONES DE LOS MBR

Los MBR están compuestos por dos partes principales:

a) La unidad biológica, responsable de la degradación de la materia orgánica presente

en el agua residual (biodegradación)

b) La unidad de filtración, encargada de llevar a cabo la separación sólido-líquido del

licor mezcla mediante filtración

De forma general, el funcionamiento de un MBR es como sigue en la Figura 2.2 : el afluente,

normalmente predecantado, entra en el biorreactor, donde se pone en contacto con la

biomasa y luego es filtrado en la membrana. El agua filtrada, o permeado (permeate), es

retirada (por ej., por succión), mientras que la biomasa permanece en el biorreactor. El

exceso de fangos se purga a fin de mantener un tiempo de retención celular constante.



7

FIGURA 2.2: ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN MBR CON MEMBRANAS

SUMERGIDAS INTERNAS (GÁLVEZ, 2007).

Este ciclo se alterna con un corto periodo de limpieza, mediante aire (scour air) o por

retrolavado. En este último, se invierte el sentido del flujo para forzar el paso del agua filtrada

desde el interior al exterior de la membrana. Periódicamente, en función del grado de

ensuciamiento (fouling), las membranas se someten a limpiezas químicas profundas

mediante su inmersión en una solución ácida (ácido cítrico u oxálico) o básica (hipoclorito

sódico).

2.4 TIPOS DE BIORREACTORES DE MEMBRANA (MBR).

Dentro de la tecnología de los MBR se distinguen tres modalidades: biorreactores con

membrana externa, biorreactores con membrana interna sumergida y biorreactores con

membrana externa sumergida, mostrados en la Figura 2.3.

A) BIORREACTOR CON

MEMBRANA EXTERNA.



8

B) BIORREACTOR CON

MEMBRANA INTERNA

SUMERGIDA.

C) BIORREACTORES

CON MEMBRANA

EXTERNA SUMERGIDA.

FIGURA 2.3: DIFERENTES CONFIGURACIONES DE MBRS. (LÓPEZ, 2012)

Inicialmente se empleaban membranas externas (Figura 2.3 a), pero la propuesta de sumergir

las membranas en el reactor biológico (Figura 2.3 b y c) supuso una importante mejora en el

desarrollo de esta tecnología. Las membranas sumergidas se introducen en el reactor

biológico o en un depósito anexo, con el fin de disminuir el consumo de energía necesario y

de facilitar los procesos de operación sin acumulación de sólidos en la superficie de las

membranas. El consumo de energía se reduce considerablemente comparado con el de

membranas externas, ya que la presión aplicada es mucho menor que la requerida para el

permeado por flujo cruzado y que no se emplea recirculación.



9

El uso de MBR con membranas sumergidas es el más extendido ya que su bajo consumo

comparado con otras configuraciones lo convierte en el más viable para su aplicación a gran

escala. (Van der Roest, y otros, 2002).

2.5 MEMBRANAS.

Las membranas son barreras físicas semipermeables que se disponen entre dos fases

separándolas e impidiendo su contacto, pero que permiten el movimiento de las moléculas a

través de ellas de forma selectiva. Son semipermeables ya que permiten el paso de algunos

componentes presentes en la corriente de entrada (alimento) y dificulta o impide el paso de

otros a la corriente de salida (permeado). Como consecuencia de esta operación se obtiene

una corriente de permeado con baja concentración o libre de ciertos componentes y una

corriente de rechazo donde esos componentes se encuentran concentrados. En la Figura 2.4

se muestra un esquema de su funcionamiento.

FIGURA 2.4: ESQUEMA GENÉRICO DE LA SEPARACIÓN MEDIANTE MEMBRANAS.

(PRATS, 2015).

La membrana discrimina entre moléculas o partículas dependiendo de su tamaño, forma o

estructura química.

La forma en la que las membranas realizan la filtración, utilizando el gradiente de presión

como fuerza impulsora, pueden ser de dos modos diferentes: filtración de flujo cruzado o

perpendicular y filtración de flujo transversal. La Figura 2.5 muestra ambos tipos de

filtración.



10

a) Flujo cruzado o perpendicular. b) Flujo transversal.

FIGURA 2.5: TIPOS DE FLUJO EN FILTRACIÓN CON MEMBRANAS. (LÓPEZ, 2012).

La filtración perpendicular es equivalente a la filtración convencional sin membranas. Es

aquella en la que todo el flujo a tratar atraviesa la membrana como permeado, acumulándose

continuamente las sustancias retenidas (torta). La filtración de flujo transversal, la más

habitual en las operaciones de membrana, es aquella en la que las sustancias retenidas por la

membrana se extraen continuamente del módulo con la corriente de concentrado. En el caso

del flujo transversal, solo una parte del alimento es convertido en permeado. Este parámetro

es denominado conversión o recuperación.

La filtración siempre conlleva un incremento de la resistencia al flujo debido a la

acumulación de sólidos en la superficie de la membrana. En la filtración perpendicular, la

resistencia aumenta de acuerdo a la capa de lodo depositada sobre la membrana, la cual es

directamente proporcional a la cantidad de volumen filtrado. En el caso de la filtración por

flujo transversal, la deposición de la capa de lodo se produce solo inicialmente hasta que las

fuerzas adhesivas de la torta y la membrana se igualan a las fuerzas del fluido que arrastran

el rechazo.

El mecanismo para prevenir la acumulación de sólidos en la superficie de las membranas

consiste en la inyección de aire a bajas presiones, y mediante burbuja gruesa, en contacto

con la superficie de las membranas. Esta inyección de aire se emplea para 3 procesos: evitar

la acumulación de lodos en la superficie de las membranas, suministrar oxígeno a la biomasa

y mantener la misma en suspensión. Además de la limpieza física mediante el burbujeo,

también se debe realizar de manera periódica una limpieza química.

El tipo de membranas a utilizar viene determinado por el tipo de agua que se pretende

obtener, o por el tipo de sustancias que se pretende separar. Estas se pueden clasificar de

varias formas.



11

En función del intervalo de filtración en el que operan (ver Figura 2.6):

En el caso de los MBR, los procesos más comúnmente utilizados son la microfiltración (MF)

y la ultrafiltración (UF). La MF es usada generalmente para separar o eliminar partículas

relativamente grandes, como grasas emulsionadas, sólidos suspendidos y macromoléculas

con pesos moleculares mayores de 50 kDa aproximadamente. La UF puede separar

macromoléculas con un peso molecular mayor de 5 kDa y su tamaño de poro se encuentra

entre 0,005 y 0,1 μm aproximadamente. Las membranas de UF son capaces de lograr

mayores niveles de separación, particularmente en lo relativo a bacterias y virus.

En función de su morfología:

Estas pueden ser simétricas en todo su espesor o asimétricas. En el caso de las membranas

asimétricas presentan una fina capa en la superficie, que es responsable de la selectividad de

separación de las especies, sobre un soporte poroso que le confiere la estabilidad mecánica.

En función de su geometría:

Las membranas se pueden fabricar planas o cilíndricas. Entre las planas se puede distinguir

entre las planas y las arrolladas en espiral. Entre las cilíndricas cabe distinguir: la membrana

FIGURA 2.6: PROCESOS DE MEMBRANAS CON SUS RESPECTIVOS RANGOS DE

SEPARACIÓN. (PRATS, 2015).



12

tubular, con diámetro interior >3 mm, y la membrana de fibra hueca, con diámetro interior

<3 mm.

En función del módulo en el que van montadas:

Para las operaciones con membranas es necesario montarlas en un dispositivo en el que se

puedan poner en contacto con la corriente de alimento para obtener las corrientes de

permeado y rechazo. Este dispositivo se denomina módulo y debe cumplir una serie de

características como soportar las presiones de trabajo, facilitar la limpieza o reposición de

membranas, resistir agentes de limpieza química, etc. Existen cuatro tipos básicos de

configuración de módulos: placa-bastidor, espiral, tubular y capilar.

Módulo de placa-bastidor

Los módulos de placa-bastidor emplean dos membranas planas sujetas a un elemento

separador por el que se alimenta el agua a tratar y que además confiere resistencia física al

conjunto. El permeado se recoge en un colector y se dirige mediante conducciones hacia el

exterior. Este tipo de módulos se emplea en microfiltración y ultrafiltración. En la Figura 2.7

se muestra un esquema y varias imágenes.

Módulo de arrollamiento en espiral

El módulo de arrollamiento en espiral es una especie de sandwich formado por dos

membranas planas, un elemento por el que circula el flujo de agua a tratar y un elemento

FIGURA 2.7: MÓDULO DE PLACA‐BASTIDOR (PRATS, 2015).



13

colector de permeado, que se envuelve en forma espiral de tal forma que la parte interior del

elemento colector de permeado conduce el agua tratada hacia un tubo central a través de

unos orificios practicados en el mismo. El sistema se sella externamente. El agua

a tratar se introduce en sentido axial. Estos módulos se emplean para ultrafiltración,

nanofiltración y ósmosis inversa. En la Figura 2.8 se pueden observar las diferentes capas

que componen el módulo.

Módulo tubular

Los módulos tubulares están formados por membranas cilíndricas, normalmente de 5 a 15

mm de diámetro, ubicadas en un tubo exterior y representan la configuración modular más

simple. El flujo habitual del agua a tratar circula por el interior de las membranas cilíndricas,

recogiéndose el permeado por el exterior. Esta configuración de membranas es menos

propensa a ensuciarse, ya que proporcionan un camino hidrodinámico simple al flujo y se

limpia mecánicamente de una manera más sencilla. Una ventaja operacional importante es

que las membranas tubulares pueden soportar cargas mayores de materia en suspensión que

cualquier otra configuración y que pueden ser operadas con un pretratamiento del agua

relativamente sencillo. Las aplicaciones son normalmente para microfiltración. En la Figura

2.9 se muestra varios detalles de este tipo de módulos

FIGURA 2.8: MÓDULO DE ARROLLAMIENTO EN ESPIRAL. (PRATS,

2015).



14

Módulo capilar o de fibra hueca

Los módulos capilares son similares a los tubulares pero el diámetro de las membranas

capilares es mucho más pequeño, concretamente de 0,5 a 5 mm. Debido al menor diámetro,

las probabilidades de obstrucción con una membrana capilar son mucho mayores. Una

ventaja es que la densidad de empaquetamiento es mucho mayor. Cuando las membranas

tienen un diámetro del orden o inferior a 0,1 μm se denominan de fibra hueca. En este caso

las membranas pueden ser de estructura simétrica, por lo que el flujo de permeado puede ser

hacia fuera o hacia dentro. Las aplicaciones son ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis

inversa. En la Figura 2.10 se muestran diferentes configuraciones de módulos de fibra hueca.

FIGURA 2.9: MÓDULO DE MEMBRANA TUBULAR. (PRATS, 2015)



15

a) Módulo longitudinal de membranas de fibra

hueca

b) Módulos de haces de fibra hueca

montados sobre bastidor.

FIGURA 2.10: MÓDULO CAPILAR O DE FIBRA HUECA. (LÓPEZ, 2012).

2.6 PARÁMETROS DE DISEÑO Y OPERACIÓN

Los principales parámetros de diseño y operacionales de un MBR son:

Flujo o carga hidráulica.

Conversión.

Rechazo.

Presión transmembrana.

Permeabilidad.

Resistencia a la filtración.

Recuperación de la membrana.

Aireación.

Concentración de SSLM.

Edad del fango.

Tiempo de Retención Hidráulico.

Carga Másica.

De todos estos parámetros, el flujo (J) y la presión transmembrana (PTM) son los

fundamentales de diseño.

La combinación del flujo y de área total de la membrana determina el factor de conversión

del proceso. Los balances aplicados a la unidad de membrana se expresan como (ver Figura

2.11):

Balance de caudales (conservación de la masa o continuidad):



16

Qa = Qp + Qr

Balance de masas (sólidos del sistema):

Qa·Ce = Qp·Cp + Qr·Cr

Donde:

Qe = Caudal de la alimentación.

Ce = Concentración de la alimentación.

Qp = Caudal de permeado.

Cp = Concentración del permeado.

Qr = Caudal retenido.

Cr = Concentración del retenido.

FIGURA 2.11: ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA MEMBRANA (O DE UN MÓDULO

DE MEMBRANAS). (TRAPOTE JAUME, 2013).

En el tratamiento de aguas, considerando que lo que se pretende separar son los sólidos en

suspensión, para membranas con tamaños de poro relativamente bajos (como las de UF, NF

u OI) se puede admitir que todas las partículas quedan retenidas en la membrana, por lo que:

Cp = 0

Quedando, en consecuencia, el balance anterior de la forma:

Qe·Ce = Qr·Cr



17

En el caso de los MBR, la membrana actuará como medio de separación sólido-líquido,

aplicando un gradiente de presión para vencer la resistencia que opone la membrana al paso

del caudal, de modo que el 99% de las partículas quedan retenidas por la membrana.

2.6.1 Flujo o Carga Hidráulica.

El flujo (flux), J, o carga hidráulica de filtrado (CH), es el caudal que pasa a través de una

unidad de área de la membrana. Es decir, el caudal de filtrado o caudal de permeado en

relación con la superficie de la membrana con la que filtra ese caudal (Figura 2.12).

FIGURA 2.12: ESQUEMA DE FLUJOS EN LA MEMBRANA (FUNDACIÓN CENTRO

CANARIO DEL AGUA, 2003).

Se formula como:

𝑱 = 𝑪𝑯 =𝑸𝒑

𝑺𝒎

ECUACIÓN 2.1: FLUJO O CARGA HIDRÁULICA.

Donde:

J, CH = flujo o carga hidráulica (m3/m2·h)

Qp = caudal de permeado (m3/h)

Sm = superficie de la membrana (m2)

El flujo se puede expresarse en unidades del SI o en unidades de LMH (l·m2·h-1).

Se entiende por flujo crítico (critical flux), la carga hidráulica para la cual en la membrana

se produce un incremento de presión transmembrana (PTM) muy rápido, dejando de ser

proporcional la carga hidráulica a la presión transmembrana. Por tanto, siempre habrá que

trabajar por debajo del flujo crítico y que viene determinada por la membrana específica que



18

se utilice. Los valores del flujo y del flujo crítico son datos a suministrar por el fabricante,

estando los primeros normalmente comprendidos en el rango: 18-30 LMH.

Teniendo en cuenta que cuanto mayor sea el flujo mayor será el fouling, se recomienda

operar con la mínima Sm posible y con un flujo próximo al de diseño (≈ 25 LMH).

El flujo es función de la concentración de SSLM y de la presión transmembrana (PTM) y

está fuertemente influenciado por la temperatura, aumentando con ésta (a su vez, la

viscosidad aumenta cuando disminuye la temperatura, incrementándose, por tanto, el

fouling). En la Figura 2.13 se puede observar la relación entre el flujo (Flux) y la

temperatura.

FIGURA 2.13: RELACIÓN ENTRE LA TEMPERATURA Y EL FLUJO (FLUX). (METCALF, Y

OTROS, 2014).

El flujo disminuye a medida que aumenta el ensuciamiento de la membrana (fouling).

2.6.2 CONVERSIÓN.

La conversión (Y) es la cantidad de agua de alimentación que es recuperada como permeado,

es decir, la relación o ratio entre el caudal de permeado (Qp) y el caudal de alimentación a

la entrada del módulo (Qe):

𝒀 =𝑸𝒑

𝑸𝒆

ECUACIÓN 2.2: CONVERSIÓN.

O expresada como porcentaje (lo más habitual):

𝒀(%) =𝑸𝒑

𝑸𝒆∗ 𝟏𝟎𝟎

ECUACIÓN 2.3: CONVERSIÓN EN PORCENTAJE.



19

2.6.3 RECHAZO.

La membrana hace un barrido selectivo (membrana permselectiva), de forma que permite

pasar a algunas sustancias a través de ella mientras rechaza otras. Esta propiedad se

denomina rechazo (R) y se define como la relación entre la carga retenida (Cp) y la de

entrada (Ce). Considerando la aproximación Qe ≈ Qp, el rechazo puede expresarse como:

𝑹 = 𝟏 −𝑪𝒑

𝑪𝒆

ECUACIÓN 2.4: RECHAZO.

O en forma de porcentaje:

𝑹(%) = (𝟏 −𝑪𝒑

𝑪𝒆) 𝟏𝟎𝟎

ECUACIÓN 2.5: RECHAZO EN PORCENTAJE.

2.6.4 PRESIÓN TRANSMEMBRANA.

La presión transmembrana (PTM), o transmembrane pressure, es la presión (normalmente

en bar) existente entre las dos caras de la membrana, esto es, el gradiente que hará filtrar el

agua a través de ésta. La presión transmembrana se calcula dependiendo del tipo de

membrana que se emplee en función del modo en que se haga el filtrado.

Cuando la fuerza impulsora es la PTM, la filtración puede ser directa (frontal) (dead-end

filtration) o tangencial (tangencial flow filtration), también conocida como de flujo cruzado

(crossflow filtration) (Figura 2.14).

Para una PTM dada, el flujo disminuye con el aumento de la viscosidad, la cual, como

anteriormente se ha indicado, crece cuando disminuye la temperatura y cuando aumenta la

concentración de SSLM.



20

FIGURA 2.14: TIPOS DE FILTRADO: (A) FILTRACIÓN DIRECTA, (B) FILTRACIÓN

TANGENCIAL (POYATO CAPILLA, 2007).

En la filtración directa se realiza un filtrado en dirección normal a la membrana, con lo que

el rechazo queda retenido en el lado donde se lleva a cabo la alimentación, provocando un

aumento de concentración en el retenido con el tiempo. En este caso, la presión

transmembrana se calcula como la diferencia entre la presión en el lado de la alimentación

(Pa) y la presión en el lado del permeado (Pp):

𝑷𝑻𝑴 = 𝑷𝒂 − 𝑷𝒑

ECUACIÓN 2.6: PRESIÓN TRANSMEMBRANA.

En la filtración tangencial (la más habitual en los proceso de membrana) se realiza la

alimentación en dirección tangente a la superficie de la membrana, con una determinada

presión de alimentación (Pa). Las sustancias retenidas por la membrana se extraen

continuamente del módulo con la corriente de concentrado (son arrastradas). La presión de

alimentación, a su vez, producirá una presión en la superficie de la membrana, y ésta será la

PTM en este caso, que cambiará a lo largo del conducto de alimentación, quedando una

presión en el rechazo (Pr) residual.

Se puede calcular, por tanto, la presión transmembrana considerando la presión que queda

en el permeado (Pp) como:

𝑷𝑻𝑴 =𝑷𝒂 − 𝑷𝒓

𝑷𝒑

ECUACIÓN 2.7: PRESIÓN TRANSMEMBRANA CONSIDERANDO LA PRESIÓN DE

PERMEADO.



21

Teniendo en cuenta que, normalmente, la presión de permeado será la presión atmosférica

(Patm), Ecuación 2.7: Presión Transmembrana considerando la presión de permeado. Puede

escribirse como:

𝑷𝑻𝑴 =𝑷𝒂 − 𝑷𝒓

𝑷𝒂𝒕𝒎

ECUACIÓN 2.8: PRESIÓN TRANSMEMBRANA

Los valores usuales de la PTM oscilan entre 0,03 y 0,3 bar.

2.6.5 PERMEABILIDAD.

Para una determinada PTM, se define permeabilidad (K), como la cantidad de caudal que

puede filtrar la membrana por superficie y por presión:

𝑲 =𝑱

𝑷𝑻𝑴=

𝑸𝒑

𝑺𝒎 ∗ (𝑷𝑻𝑴)

ECUACIÓN 2.9: PERMEABILIDAD.

La permeabilidad representa la velocidad de flujo específico a través de un área superficial

específica y es el parámetro que se utiliza para evaluar el rendimiento de la operación del

sistema de membranas.

Las unidades que suelen utilizarse en el cálculo de la permeabilidad son LMH bar-1 (l·m2·h-

1·bar-1).

2.6.6 RESISTENCIA A LA FILTRACIÓN.

La resistencia a la filtración (RF) se define como una magnitud inversamente proporcional

a la permeabilidad, y se expresa en función de la viscosidad del fluido, del flujo y de la PTM:

𝑹𝑭 =𝑷𝑻𝑴

𝝁 ∗ 𝑱

ECUACIÓN 2.10: RESISTENCIA A FILTRACIÓN.

Donde:

RF = resistencia al flujo (m-1)

𝝁 = viscosidad del fluido (Pa)

En los líquidos, al contrario que en los gases, la viscosidad aumenta cuando disminuye la

temperatura. La resistencia global es la suma de la resistencia de la membrana (influyen:

material, tamaño de poro, porosidad y espesor de la capa activa), la resistencia de la capa de



22

ensuciamiento (según el mecanismo de filtración es superficial o por bloqueo de poros) y la

resistencia ofrecida por la interfase membrana-líquido (asociada a la polarización por

concentración).

2.6.7 RECUPERACIÓN DE LA MEMBRANA.

El concepto de recuperación de la membrana (RM) se refiere a la permeabilidad que es capaz

de recuperar la membrana después de una limpieza química. Este parámetro tiene en cuenta

la permeabilidad virgen de la membrana (Kv), es decir, la permeabilidad que tiene la

membrana cuando no ha sido utilizada nunca.

Considerando la permeabilidad virgen, la recuperación de la membrana se expresa, en

términos porcentuales, como:

𝑹𝑴(%) =𝑲𝒇 − 𝑲𝒊

𝑲𝒗 − 𝑲𝒊

ECUACIÓN 2.11: RECUPERACIÓN DE MEMBRANA.

Donde:

RM = recuperación de la membrana (%)

Kv = permeabilidad virgen de la membrana

Kf = permeabilidad final tras limpieza química

Ki = permeabilidad inicial, previa a la limpieza química

Sin considerar la permeabilidad virgen, la recuperación de la membrana se expresa como:

𝑹𝑴(%) =𝑲𝒇 − 𝑲𝒊

𝑲𝒇

ECUACIÓN 2.12: RECUPERACIÓN DE MEMBRANA EN PORCENTAJE.

2.6.8 AIREACIÓN.

La condición hidrodinámica es uno de los factores más importantes para la reducción del

ensuciamiento en los MBR, la cual está relacionada con la intensidad de aireación, el tamaño

de burbuja, la configuración de los módulos de membrana, la concentración de sólidos en

suspensión y viscosidad del lodo (Meng, y otros, 2009).

El ambiente aerobio en el reactor se consigue mediante el uso de difusores sumergidos (ver

Figura 2.15). La aireación debe satisfacer la demanda de oxígeno requerida para la



23

biodegradación de la materia orgánica contenida en el agua residual y para la respiración

endógena de los propios microorganismos, así como proporcionar una mezcla adecuada para

mantener la biomasa en suspensión.

FIGURA 2.15: DIFUSORES SUMERGIDOS.

El consumo de oxígeno de los microorganismos presentes en un fango activado se asocia al

consumo de sustrato para obtener energía mediante una reacción de oxidación. Esta energía

es utilizada por los microorganismos para satisfacer los requerimientos energéticos de su

metabolismo y para su crecimiento celular.

Cuando todo el sustrato extracelular se ha consumido, los microorganismos oxidan,

consumiendo oxígeno, su propio material celular para mantener su metabolismo, decayendo

su crecimiento. Se dice que el lodo se encuentra en condiciones endógenas. Si el periodo

endógeno se prolonga, finalmente se produce la muerte de los microorganismos. Los MBR

operan en condiciones endógenas para aumentar la degradación de la materia orgánica

presente en las aguas residuales y evitar un crecimiento excesivo de biomasa.

Se han desarrollado sistemas efectivos con el objetivo de reducir la demanda específica de

aireación, y además, que incluya aireación cíclica. El uso de difusores de burbuja fina

(menores de 0,5 mm) ha resultado ser efectivo en la oxigenación del sistema y obtener menor

resistencia que si se trabaja con burbujas gruesas (mayores de 2 mm), a similares tasas de

aireación.



24

2.6.9 CONCENTRACIÓN DE MLSS.

El rango normal de operación en sistemas MBR suele variar entre 6 y 8 g/l de SSLM, aunque

algunas plantas en determinadas ocasiones pueden operar con valores de hasta 15-20 g/l, lo

que no es recomendable por el incremento de viscosidad del licor mezcla, con el consecuente

rápido aumento del fouling. Si la viscosidad es muy elevada, la difusión de las burbujas de

aire es deficiente y hay problemas de ensuciamiento en la membrana.

En las Figura 2.16 y Figura 2.17 se representa la variación del factor de corrección (α) de

sistemas de difusión porosos en función de la concentración de SSLM en el tanque de

aireación, según diversos autores. En el gráfico de la Figura 2.16:

Bratby et al. (2002): α1, difusores de burbuja gruesa (coarse bubble); α2, difusores

de burbuja fina (fine bubble).

Wagner et al. (2002): α3.

Thompson (2004): α4

FIGURA 2.16: EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DE SSLM (MLSS) EN LOS VALORES

DE Α (ALPHA FACTOR) EN SISTEMAS DE AIREACIÓN POROSOS. (METCALF, Y OTROS,

2007).



25

FIGURA 2.17: EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DE SSLM (MLSS) EN LOS VALORES

DE Α (ALFA FACTOR), SEGÚN DIVERSOS AUTORES (FUENTE: WWW.ONLINEMBR.INFO,

CITADO POR CEDEX, 2014).

2.6.10 EDAD DEL FANGO.

La edad de fango (E) es un parámetro clave en la determinación de la tendencia al

ensuciamiento debido a su repercusión sobre la concentración de SSLM y de las EPS

(Extracellular Polymeric Substances). Por lo tanto, es importante determinar una óptima

edad de fango, en la cual la concentración de EPS solubles (fundamentalmente) sea mínima

y exista una eficiencia de transferencia de oxígeno suficientemente alta para que el

ensuciamiento pueda ser controlado (Judd & Judd, 2006).

Como ya se ha expuesto anteriormente, la edad de fango, o tiempo de retención celular SRT

(Sludge Retention Time o Solids Retention Time) es la relación entre la masa de fangos

(biomasa) existente en el reactor y la masa de fangos eliminada diariamente:

𝐸 =𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑛𝑔𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑛𝑔𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜=

𝑉 ∗ 𝑋

𝑄𝑤 ∗ 𝑋𝑤 + 𝑄𝑒 ∗ 𝑋𝑒

ECUACIÓN 2.13: EDAD DEL FANGO.



26

Donde:

E = edad del fango (días)

V = volumen del reactor (m3)

Qw = caudal de purga (m3/d)

Qe = caudal efluente (m3/d)

X = concentración de SS en el reactor (g/m3)

Xw = concentración de SS en la purga (g/m3)

Xe = concentración de SS en el efluente (g/m3)

En consecuencia, si aumenta el tiempo de retención de sólidos disminuye la producción de

fangos. Ajustando correctamente la edad del fango en sistemas biológicos se controla la

velocidad de degradación del sustrato, la concentración de SSLM y la producción de fango.

Para lograr el control de la edad del fango, se lleva a cabo la purga de los fangos en exceso

producidos en el reactor.

En los MBR se obtiene un efluente libre de SS, por lo que la edad de fango para un

determinado volumen de reactor queda definida sólo por la cantidad de sólidos extraídos por

la purga. Para un reactor de mezcla completa, la concentración de sólidos en el tanque es

igual a la de la purga, por lo que el caudal de purgado requerido para mantener una

determinada edad del fango se define como:

𝑄𝑤 =𝑉

𝐸

ECUACIÓN 2.14: CAUDAL DE PURGA.

Los MBR deben operar a edades del fango > 15 días. Lo más recomendable es trabajar con

la mínima concentración de SSLM que admitiera el sistema en función de la carga

contaminante y la E adoptada para los rendimientos previstos.

2.6.11 TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA EN REACTOR.

Se define como el cociente entre el volumen del reactor y el caudal afluente de diseño del

tratamiento biológico:



27

𝑇𝑅𝐻 =𝑉𝑟

𝑄

ECUACIÓN 2.15: TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO.

Donde:

Q = caudal de diseño del tratamiento biológico (m3/día).

Vr = volumen del reactor biológico (m3).

2.6.12 CARGA MÁSICA

Se define como la carga diaria de materia orgánica contaminante en el agua residual por

unidad de masa de sólidos suspendidos totales en el reactor biológico:

𝐶𝑚 =𝐾𝑔

𝐷𝑄𝑂𝑑í𝑎

𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝐹𝑎𝑛𝑔𝑜𝑠=

𝑆𝑜 ∗ 𝑄

𝑋 ∗ 𝑉𝑟

ECUACIÓN 2.16: CARGA MÁSICA.

Donde:

S0 = concentración de DBO5 de entrada al reactor (kg/m3 o g/m3).

Q = caudal de diseño del tratamiento biológico (m3/día).

X = concentración de sólidos totales suspendidos en el reactor o MLSS (kg/m3 o g/m3).

Vr = volumen del reactor biológico (m3).

Este parámetro representa la relación existente entre la cantidad de alimento y el contenido

de microorganismos (F/M).

La relación F/M (Food to Microorganisms) define la proporción a la que el sustrato es

adicionado al reactor en función de la concentración de SS dentro del mismo:



28

𝐹

𝑀=

𝑆𝑜

𝑇𝑅𝐻 ∗ 𝑋

ECUACIÓN 2.17: RELACIÓN FOOD TO MICROORGANISMS.

Donde:

F/M = proporción de sustrato adicionado al reactor en función de la concentración de SSLM

(kg DQO·kg SS-1·h-1)

So = concentración de materia orgánica en el afluente (kg DQO·m-3)

TRH = tiempo de retención hidráulico (h-1):

𝑇𝑅𝐻 =𝑉

𝑄𝑤

ECUACIÓN 2.18: TIEMPO DE RESIDENCIA HIDRÁULICO.

Cuando todo el sustrato extracelular se ha consumido, los microorganismos oxidan,

consumiendo oxígeno, su propio material celular para satisfacer sus necesidades energéticas,

descendiendo la cantidad de biomasa (condiciones endógenas). Si se disminuye la presencia

de nutrientes en el biorreactor respecto a la biomasa existente operándose en condiciones

endógenas, se reduce la producción de fango.

Los largos tiempos de retención de sólidos permiten trabajar con valores bajos de relación

F/M, inferiores a 0,12 kg DQO·kg SS-1·d-1. Por lo tanto, operar a bajos valores de relación

F/M, implica trabajar a altas concentraciones de SS y a bajos TRH, que suele estar entre 0,5

y 8 h (Gander, y otros, 2000), así como obtener bajas producciones de fango, que es una de

las ventajas más importantes de la tecnología MBR.

Según diversos estudios, al incrementar la edad de lodo disminuye la concentración de EPS

en el sistema. Dado que las EPS son las principales responsables del ensuciamiento de las

membranas, trabajar a altas edades de fango permite operar con altas permeabilidades de

membranas y a tiempos más prolongados.

2.7 ENSUCIAMIENTO DE LAS MEMBRANAS

El ensuciamiento de las membranas se define como la deposición indeseable y la

acumulación de microorganismos, coloides, restos de células (“fouling” orgánico) y solutos



29

o precipitados inorgánicos (“scaling”), fundamentalmente carbonato de calcio (CaCO3) y

sulfato de magnesio (MgSO4), sobre la superficie de la membrana o en el interior de la misma

(ver Figura 2.18).

La primera medida para controlar el ensuciamiento de las membranas es instalar un tamizado

previo al MBR de al menos 1 mm de paso para FH y 2 mm para PP.

En segundo lugar, para evitar que las membranas lleguen a alcanzar un ensuciamiento

permanente, se deben seguir unos protocolos de limpieza, marcados por los fabricantes, y

mantener caudales adecuados de aireación en función del flujo de operación. Además, dentro

del ciclo de filtración las membranas de FH disponen de contralavado y las de PP de ciclos

de relajación donde no se filtra agua pero se mantiene la aireación. Como anteriormente se

ha señalado (CEDEX, 2014), en función de la carga y el caudal a tratar, se trabaja en ciclos

de 10 minutos de filtración y 30 segundos de contralavado, y de 16 minutos de filtración y

2 minutos de contralavado. El caudal de contralavado suele oscilar entre el caudal habitual

de permeado y hasta un 150% de dicho valor.

FIGURA 2.18: ENSUCIAMIENTO DE MEMBRANA POR LA FORMACIÓN DE UNA CAPA

DE SÓLIDOS SUPERFICIAL U OBSTRUCCIÓN DE LOS POROS. (PRATS, 2015).



30

Cuando se utilizan las operaciones de MF y UF para separar materia en suspensión, el

ensuciamiento de la membrana adquiere una gran importancia debido a la acumulación de

sólidos sobre la superficie (formación de torta) y a la penetración de partículas en los poros

de la membrana (ensuciamiento interno). Teniendo en cuenta la naturaleza compleja del

fango activado, el fenómeno de ensuciamiento en los MBR es más complicado que en la

mayoría de las aplicaciones con membranas, siendo este factor uno de los factores que

actualmente está limitando la expansión de esta tecnología.

La filtración a través de la torta conlleva un aumento en la resistencia al flujo y,

consecuentemente, una disminución de la capacidad de filtración en la membrana. En el caso

de la filtración frontal, la resistencia aumenta conforme aumenta la capa de torta de sólidos

que se forma en la superficie de la membrana y se opone a la fuerza impulsora.

Esto hace que sea necesario realizar limpiezas periódicas de la membrana. Para la filtración

tangencial, esta deposición continúa hasta que las fuerzas de unión entre la torta y la

membrana se equilibran con las fuerzas rasantes sobre la superficie de la membrana. En este

caso, la resistencia al flujo es menor que en el modo de filtración frontal.

2.7.1 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ENSUCIAMIENTO

En un proceso MBR, el ensuciamiento está directamente influenciado por las características

del lodo y las condiciones hidrodinámicas del sistema. Sin embargo, las condiciones de

operación como son la edad del fango, el TRH, la relación F/M y las características del

alimento tienen una repercusión indirecta sobre el ensuciamiento, ya que lo que hacen es

modificar las características del fango.

En la operación en planta no resulta sencillo modificar muchos parámetros, ya que la

mayoría vienen impuestos una vez que se construye la depuradora (agua de entrada,

pretratamiento, configuración y características de las membranas, etc.). Por ello, es

interesante optimizar aquellos parámetros sobre los que se pueda incidir para minimizar el

ensuciamiento de éstas y así reducir la frecuencia de limpieza y abaratar costes.

Algunos de estos factores son: la concentración de SSLM, el caudal de aireación, la edad de

fango o el caudal de filtración.

El principal coste de operación de los sistemas MBR es el de la aireación, de ahí la

importancia de su optimización. Se debe realizar un diseño correcto de los aireadores y de

su ubicación para mitigar el ensuciamiento de las membranas.



31

2.7.2 SUSTANCIAS POLIMÉRICAS EXTRACELULARES

Las Sustancias Poliméricas Extracelulares o Extracellular Polymeric Substances (EPS) son

mezclas complejas de polímeros de un amplio espectro de pesos moleculares que proceden

de la lisis de las células de los microorganismos, del desprendimiento de material de la

superficie de estas células y/o de la materia orgánica presente en el agua residual. Son

consideradas los compuestos mayoritarios de los flóculos y además, los mayores

responsables del ensuciamiento de las membranas en los procesos de filtración, haciendo

que disminuya el flujo de permeado (Rosenberger, y otros, 2005).

2.7.3 LIMPIEZAS DE LAS MEMBRANAS

Los tipos de limpiezas se pueden clasificar en limpiezas físicas y químicas.

Limpiezas físicas.

Uno de los procedimientos indispensables para reducir el ensuciamiento es la realización de

retrolavados periódicos en membranas de fibra hueca y la relajación en membranas planas.

Durante estos periodos la planta no está produciendo/generando agua tratada, por lo que

sufren un mayor consumo energético por litro de agua permeada.

El proceso de retrolavado elimina la mayor parte del ensuciamiento reversible dentro de los

poros y también arranca la capa más débilmente adherida a la superficie de la membrana. La

técnica de retrolavado afecta a los costes de operación, pues se requiere energía para que se

alcance la presión necesaria para que el flujo circule en sentido contrario. Además, entre el

5 y el 30% del permeado se utiliza en este proceso, por lo que la producción de permeado

neto disminuye.

En el caso de membranas planas, el proceso de relajación disminuye la pérdida de

permeabilidad del sistema.

Limpiezas químicas.

Debido a que las limpiezas físicas no son suficientemente eficaces en eliminar todo el

ensuciamiento de la membrana, se realizan limpiezas químicas con las que se recupera parte

de la permeabilidad inicial de las mismas. El ensuciamiento eliminable mediante limpiezas

químicas se conoce como ensuciamiento residual o irreversible.

La limpieza química consiste en tratar las membranas con disoluciones químicas para

eliminar las sustancias que se hayan adherido a las membranas tanto interna como



32

externamente. En función del tipo de ensuciamiento que se pretenda eliminar, se deben

emplear unos reactivos u otros. En la Tabla 2.1: se muestran los reactivos más empleados

para eliminar el ensuciamiento inorgánico y orgánico de las membranas.

TABLA 2.1: REACTIVOS MÁS EMPLEADOS PARA LA LIMPIEZA QUÍMICA SEGÚN EL

TIPO DE ENSUCIAMIENTO (BERNAL ROMERO DEL HOMBRE BUENO, M.A., 2012).

REACTIVOS PARA LIMPIEZA QUÍMICA

Tipo de ensuciamiento Tipos de reactivos Ejemplo

Inorgánico Disoluciones ácidas

Ácido cítrico

Ácido oxálico

Orgánico Disoluciones básicas Hipoclorito sódico

Habitualmente, se realizan tres tipos distintos de limpiezas químicas:

Retrolavado acompañado de reactivos químicos (frecuencia diaria a bajas

concentraciones de reactivos).

Limpieza de mantenimiento con una alta concentración de los reactivos químicos

(frecuencia semanal).

Limpieza química intensiva o de recuperación (frecuencia anual).



33

3 OBJETO Y ALCANCE DEL PROYECTO.

3.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El Instituto Universitario del Agua y las Ciencias Ambientales (IUACA) de la Universidad

de Alicante, cuenta en sus instalaciones con varios sistemas experimentales para la

realización de sus trabajos de investigación. Uno de estos sistemas es un biorreactor de

membranas a escala piloto con membrana de fibra hueca con el que se realizan diversos

experimentos relacionados principalmente con el ensuciamiento de membranas.

Hasta el momento, para los experimentos realizados con este equipo se han utilizado cargas

contaminantes típicamente urbanas reproducidas mediante aguas sintéticas. Con el fin de

continuar las investigaciones con aguas residuales urbanas, el IUACA se ha propuesto

utilizar el biorreactor de membrana para evaluar reducciones de materia orgánica y

nutrientes; ya que las normas se hacen cada día más exigentes y en la actualidad también se

incorpora los sustancias prioritarias (EC), que impone la Unión Europea a través de la

directiva marco del agua que indica en uno de sus principios el de conservar el buen estado

ecológico de los cuerpos de agua y ha establecido para el logro de estos objetivos además de

los límites máximos de materia orgánica y nutrientes, una lista de sustancias prioritarias

(sustancias prioritarias). Es por ello que se pretende estudiar la eliminación de los EC.

3.2 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO.

El principal objetivo del presente proyecto es utilizar la planta MBR a escala piloto de fibra

hueca para evaluar su capacidad de reducción de materias orgánicas, nutrientes y sustancias

prioritarias.

Para ello se lleva a cabo la puesta en marcha la planta piloto, su estabilización para evaluar

sus condiciones de operación y así inocular las familias de las sustancias prioritarias.

3.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

El objetivo principal se desglosa en los siguientes objetivos específicos:

Evaluar los parámetros de operación de la planta piloto.

Evaluar la reducción de materia orgánica.

Evaluar el potencial de reducción de Nutrientes (nitrógeno y Fósforo)

Evaluar reducción de las familias de las sustancias prioritarias.

Evaluar las concentraciones de sólidos en suspensión totales.



34

4 MATERIALES Y MÉTODOS

Para el desarrollo de la fase experimental de este proyecto se cuenta con los equipos, la

metodología de analíticas e instalaciones del Instituto de Agua y Ciencias Ambientales de la

Universidad de Alicante.

4.1 PLANTA PILOTO.

La Universidad de Alicante a través del Instituto Universitario del Agua y las Ciencias

Ambientales (IUACA), dentro de su labor investigadora, cuenta con varios sistemas

experimentales para el tratamiento de aguas. Específicamente para el tratamiento de aguas

residuales. Las plantas de tratamiento de aguas residuales más extendidas por su eficacia en

la depuración del agua hoy en día se basan en el sistema de lodos activados. Este sistema

necesita de una tratamiento terciario ya que las normativas de vertido son cada vez más

exigentes y además, la producción de fangos es muy elevada, lo cual aumenta los costes de

operación al ser necesario darles un tratamiento de estabilización.

Dada esta situación el IUACA propone el estudio y la posible aplicación de tecnologías

alternativas para mejorar los sistemas actuales y cumplir con la normativa de una manera

más eficaz; Una de ellas opera con membranas de fibra hueca y se alimenta con cargas

contaminantes típicamente urbanas reproducidas mediante aguas sintéticas.

La planta piloto consiste en un sistema de Bioreactor de Membrana sumergido de 90 L. Los

MBRs son sistemas que combinan el proceso biológico de fangos activados y la

microfiltración con membranas de Porous Fibers Micronet R. Aunque el proceso biológico

es básicamente el mismo, existen diferencias bien marcadas respecto a los parámetros

operacionales; el tratamiento físico de separación sólido-líquido establece la mayor

diferencia entre ambos, afectando de forma directa al tratamiento biológico.

4.1.1 DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA.

La planta piloto existente está compuesta por un tanque de aireación de 90 L (88 L útiles)

dentro del cual se encuentra el módulo de membranas, una membrana de fibra hueca, Porous

Fibers Micronet R, de fluoruro de polivinilideno (PVDF) con un tamaño de poro de 0,4 µm

y una superficie filtrante de 2 m2, un depósito de alimentación, uno de permeado, y una serie

de equipos y accesorios controlados mediante un sistema de control automático.

El sistema se controla automáticamente con el objetivo de medir en continuo las principales

variables de operación. Estas son monitorizadas en línea y mostradas permanente y



35

gráficamente en un ordenador acoplado al sistema. El sistema de control actúa sobre los

sensores de nivel de líquido, el transmisor de presión, las bombas, las soplantes de aireación

y los sensores de oxígeno disuelto (OD) y temperatura.

La planta se activa a través del interruptor general del panel de control y comienza la

extracción del permeado a través de las membranas con ayuda de una bomba peristáltica.

Las membranas están sumergidas en el licor mezcla, por lo que la filtración va desde el

exterior hasta el interior de las mismas (sentido out-in), extrayéndose el permeado al exterior.

Parte de este permeado se almacena en un tanque para ser utilizado en los retrolavados que

se le realizan a las membranas.

Por otro lado, las soplantes de aireación se mantienen operando permanentemente,

manteniendo, mediante el burbujeo, el rascado tangencial de las membranas y por tanto

eliminando la suciedad que genera la filtración del lodo. Paralelamente, mediante la

oxigenación, se le suministra a la biomasa la concentración de OD que necesita para su

crecimiento y se mantiene el licor mezcla en suspensión.

El MBR está diseñado para tratar un caudal nominal de 40 L/h y cargas contaminantes

típicamente urbanas, reproducidas mediante aguas sintéticas. Los sensores de nivel controlan

el momento de encendido y apagado de la bomba de alimentación y de la válvula de agua

manteniendo un volumen útil aproximado de 88 L de licor mezcla en el reactor. Cuando el

nivel de líquido llega al sensor de nivel mínimo, se pone en marcha la bomba de alimento

sintético y abre la válvula de agua. Estos se mantienen trabajando hasta que el nivel llega a

la sonda de nivel máximo. Existe una sonda adicional de nivel mínimo-mínimo como medida

de precaución para la membrana, para el caso de que el sistema de alimentación no

funcionara y las membranas pudieran quedar expuestas al aire y dañadas de forma

irreversible. Esta sonda de nivel mínimo-mínimo detiene la extracción de agua a través de

las membranas, impidiendo que el nivel del reactor continúe bajando. Los valores de OD y

temperatura de la biomasa se obtienen mediante una sonda que está colocada dentro del

tanque. Para la mejor comprensión del sistema ver Figura 4.1 y Figura 4.2.



36

a) Llenado del depósito. b) Membrana Porous Fibers Micronet R.

FIGURA 4.1: PLANTA PILOTO Y MEMBRANA.

FIGURA 4.2: ESQUEMA DE LA PLANTA PILOTO. (LÓPEZ, 2012)

4.1.2 MEBRANA UTILIZADA

La membrana seleccionada para el diseño es la Porous Fibers MICRONET R, diseñada

especialmente para su uso en MBRs. Se trata de un módulo de fibras huecas de fluoruro de



37

polivinilideno (PVDF), dispuestas en forma de haces dentro del contenedor con sus propias

características detalladas en la Tabla 4.1.

El PVDF es un termoplástico fluoropolímero altamente inerte químicamente que se suele

emplear en condiciones que requieren mucha pureza, fortaleza y elevada resistencia a ácidos,

bases y solventes, a altas temperaturas, al envejecimiento y a los rayos ultravioleta.

TABLA 4.1: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA MEMBRANA MICRONET R

Parámetro Valor Unidades

Tamaño eficaz de poro 0,4 µm

Volumen libre de poros en la fibra 65 %

Rango de caudales con agua limpia. Ensayo standard

(efectuado con agua osmotizada y 5 mca de presión

diferencial)

1000 L/m2·h

Diámetro exterior de la fibra 2,4 mm

Diámetro interior 1,1 mm

Presión máxima interior hasta ruptura 60 kg/cm2

Elongación hasta ruptura 0 %

Material PVDF -

Refuerzo interior Sí -

Sección Cuadrada -

Dimensión sección 10x10 cm

Longitud hasta 300 cm

Superficie filtrante hasta 20 m2

Número de fibras 2500 aprox. -

Filtración fuera-dentro Sí -

Resistencia a hipoclorito sódico (500 ppm 100 h) Sí -

Resistencia a pH 11,5 Sí -

Resistencia a pH 1 Sí -

Lavado por vapor Sí -



38

4.1.3 SISTEMA DE BOMBEO

La planta piloto de MBR para su funcionamiento tiene un sistema general de bombeo (ver

Figura 4.6) que cuenta con siguientes modelos de bombas:

1. Bombas peristálticas Dosiper

Son bombas peristálticas (Dosiper C1R) que poseen como máximo un caudal de 10 L/h y

presión de 1,5 bar (ver Figura 4.3)

El funcionamiento de las bombas peristálticas está basado en la capacidad que tiene el tubo

para deformarse y posteriormente recuperar su forma inicial:

Fase de Aspiración: el rodillo hace que el tubo se comprima y más tarde se cierre,

esto genera un vacío que provoca la aspiración de producto.

Fase de Transmisión: con el desplazamiento del rodillo, el producto es desplazado

por el interior del tubo.

Fase de Impulsión: al llegar el rodillo al final del tubo el producto es introducido en

la tubería.

Este tipo de bombas se utilizan como:

Bomba de Alimentación:

La bomba de la alimentación no funciona mediante un ciclo prestablecido, sino que depende

del volumen de agua existente en el depósito de membrana. La bomba de alimentación se

pone en marcha cuando el volumen de lodo alcanza el nivel mínimo y se detiene cuando el

volumen alcanza el sensor de máximo.

La variación de volumen dentro del depósito depende directamente del funcionamiento

conjunto de todas las bombas, por lo que el funcionamiento de la bomba de alimentación

depende directamente del funcionamiento de las demás.



39

Bomba de Retrolavado

La bomba de retrolavado funciona con un ciclo de 30 segundos de retrolavado y 600

segundos (10 min.) de reposo mientras esta la bomba de permeado funcionando, lo que

supone unos 2,85 minutos de actividad por hora de funcionamiento. Estos valores permiten

que se den exactamente 5.71 ciclos por hora.

2. Bomba peristáltica Watson

La bomba peristáltica Watson – Marlow modelo 323 U/D que posee una rotación máxima

de 400 rpm. Esta bomba propicia la succión del permeado a través de la membrana (ver

Figura 4.4). Este tipo de bomba se utiliza para el efluente que funciona de la siguiente

manera:

El permeado funciona alternándose con el retrolavado, por lo que su ciclo de

funcionamiento será el inverso, es decir 30 seg de reposo y 600 seg de actividad, lo

que supone unos 57,10 minutos de actividad por hora de funcionamiento.

FIGURA 4.3: BOMBA

PERISTÁLTICAS DOSIPER



40

3. Bomba Aqua Medic

La bomba Aqua Medic modelo Mistral 4000 que posee una capacidad máxima de 4000 L/h

y máxima presión de 350 mbar (ver Figura 4.5). Este tipo de bomba se utiliza como soplante.

Bomba de Aireación

Esta bomba suministra oxígeno para el reactor. El oxígeno es necesario para satisfacer las

necesidades de la biomasa, mantener en suspensión la biomasa y propiciar una limpieza

física de la membrana mediante un rascado tangencial. A través de difusores se aporta aire

en forma de burbuja fina en el reactor para asegurar la difusión del oxígeno y de burbuja.

Está programada para funcionar continuamente una vez encendido el interruptor general.

FIGURA 4.4: BOMBA PERISTÁLTICA WATSON

FIGURA 4.5: BOMBA AQUA MEDIC

MODELO MISTRAL 4000



41

1 U

Reactor

B. de Permeado

A. Concentrado Permeado

B. Alimentación

B. Retrolavado

Válvula de agua de Grifo

Soplante 1 Soplante 2

FIGURA 4.6: SISTEMA DE BOMBEO DE LA PLANTA PILOTO

4.1.4 OTROS EQUIPOS

La planta piloto además del sistema de bombeo cuenta para su funcionamiento de otros

instrumentos principalmente de medición como se muestra en la Figura 4.7; sensores

(máximos y mínimos dentro del reactor), sensor de medición para la presión transmembrana,

cuadro eléctrico y sonda de medir oxígeno y temperatura.

A B

C

FIGURA 4.7: CUADRO DE CONTROL (A), SONDA DE OXÍGENO (B) Y SENSOR DE PTM

(C)



42

4.1.5 CALIDAD DEL AGUA A TRATAR

El agua de alimentación se simula mediante agua sintética, preparada en forma de

concentrado a partir de la composición del alimento sintético recomendada por la

International Standard Organization (ISO, 1999) y su relación con la concentración de

nutrientes a la entrada del sistema en cantidades de productos que se detallan en la Tabla 4.2.

TABLA 4.2: COMPOSICIÓN DEL ALIMENTO CONCENTRADO.

ALIMENTO CONCENTRADO

COMPUESTO

DQO referencia / mg·l-1 DQO / mg·l-1

3038 13500

Peptona / g 1.6 177.75

Extracto de carne / g 1.1 122.20

Urea / g 0.3 33.33

MgSO4· 7 H2O / g 0.02 2.22

KH2PO4 / g 0.28 31.11

CaCl2 · 2 H2O / g 0.04 4.44

NaCl / g 0.07 7.78

NaHCO3 3.038 13.50

4.2 PUESTA EN MARCHA DE LA PLANTA PILOTO.

Esta planta piloto ha sido objeto de diversas investigaciones por lo tanto para una nueva

investigación fue verificado el funcionamiento del sistema; principalmente el estado del

sistema de bombeo (calibración de bombas en la Tabla 4.3 y Figura 4.8), el reemplazo de

todas la conducciones, evaluación del autómata y una limpieza general de toda la planta.

Posteriormente se procede a llenar el sistema con agua del grifo para verificar presencia de

fugas y realizar la calibración de las bombas. Comprobado que el sistema se encuentra en

óptimas condiciones se coloca la membrana y se realiza el vaciado de agua del grifo y

procedió a la puesta en marcha.



43

TABLA 4.3: CAUDALES DE LA BOMBA DE PERMEADO.

RPM Qp (L/h)

Qp neto (L/h)

(actuando 10

min/ciclo)

100 5 4.761905

115 5.178 4.93142857

180 5.88 5.60000116

130 5.0779

Para iniciar la puesta en marcha de la planta, además de colocar todos los equipos de

medición se rellena el reactor con 42 litros de licor mezcla de la EDAR de Rincón de León

de Alicante con la membrana ya colocada en su posición fija en el tanque y se enrasa con

agua del grifo los 88 L útiles de la planta. Para ello se puso en posición de encendido el

interruptor general de la planta, con los interruptores correspondientes a todos los equipos

en posición de apagado (los equipos de medición y las bombas de aireación se enciende

automáticamente con el interruptor general, pero su funcionamiento no perturba el proceso).

De esta forma, cuando se alcanzó la altura deseada se terminó el llenado.

Con el reactor lleno se procede al encendido de todo el sistema de bombeo de la planta. Este

encendido se puede realizar de dos modos: en modo automático, en el que los equipos

y = 0.0104x + 3.7259R² = 0.9998

4.6

4.8

5

5.2

5.4

5.6

5.8

0 50 100 150 200

CA

UD

AL

(L/H

)

RPM

Qp Neto (L/h)

Qp neto (L/h) Lineal (Qp neto (L/h))

FIGURA 4.8: RECTA DE CALIBRADO DE LA BOMBA DE PERMEADO



44

trabajan en los ciclos programados previamente y que garantizan el funcionamiento

autónomo de la planta, o en modo manual, en el que los equipos trabajan de forma continua

y saltándose las limitaciones impuestas a la hora de la programación. El sistema normal de

operación de la planta es en el modo automático, aunque durante el proceso de puesta en

marcha puede operarse en ciertos momentos con alguno de los equipos en modo manual.

Una vez todos los equipos están activados en el modo automático se ponen en marcha todas

las bombas exceptuando la de alimentación y la de permeado. Esto es así debido a que se

comienza con un ciclo de retrolavado para eliminar la suciedad que se pueda haber generado

en la superficie de la membrana durante el proceso de llenado.

Todas las bombas están programadas para activarse y apagarse por un tiempo determinado,

excepto la de alimentación cuyos ciclos de funcionamiento están controlados por medio de

sensores de nivel mínimo-mínimo, mínimo y máximo colocados a diferentes alturas en el

reactor.

Con todas la partes de la planta funcionando se inicia el proceso de estabilización del

sistema; principalmente el ensuciamiento de la membrana que afecta la presión

transmembrana y el crecimiento de la biomasa suspendida que está relacionada con el

ensuciamiento de la membrana.

4.2.1.1 DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA DEL SISTEMA MBR (90 L).

Para la puesta en marcha de esta planta se establece las directrices con las que se inicia la

investigación y el funcionamiento de la planta; fijándose la siguiente estrategia de operación

Qa = Qp

Qrf = 0

Qf = 0

Se establece el caudal de permeado que se requiere.

Qp = 5 L/h = Qa

Este caudal según la calibración de bomba se obtiene con 100 rpm (ver Figura 4.9) de la

Bomba Peristáltica Watson (ver la Figura 4.4).



45

Con este dato se obtiene el flujo o carga hidráulica con la Ecuación 2.1, teniendo en

cuenta que la membrana a utilizar es de fibra hueca de un área de filtración de 2 m2.

𝑱 = 𝑪𝑯 =𝑸𝒑

𝑺𝒎=

𝟓 𝑳/𝒉

𝟐 𝒎𝟐= 𝟐. 𝟓

𝑳

𝒎𝟐𝒉

Dando como resultado un flujo de 2.5 L/m2h.

El caudal de recirculación de fangos se plantea en 0 L/h.

El caudal de purga es nulo ya que no se pretende realizar ninguna en el curso de la

investigación.

La concentración de sólidos a alcanzar es la necesaria para degradar el sustrato que

se le suministre a la planta de manera tal que se evite en lo posible la purga.

La Presión transmembrana no debe tener valores por debajo de -0.5 bar.

Estos datos sirven de parámetros iniciales para la puesta en marcha de la Planta Piloto

siguiendo el diagrama de flujo que se muestra en la Figura 4.10, en la que se indican también

los balances de caudales, los parámetros operacionales de la planta piloto.

y = 0.0104x + 3.7259R² = 0.9998

4.6

4.8

5

5.2

5.4

5.6

5.8

0 50 100 150 200

Cau

dal

(L

/h)

rpm

Qp Neto (L/h)

Qp neto (L/h) Lineal (Qp neto (L/h))

FIGURA 4.9: CALIBRACIÓN DE BOMBA DE PERMEADO



46

Caudales en funcionamiento en

condiciones normales

Qa = Qp

Qr = Caudal de Fangos en exceso.

Qrf = Caudal de recirculación de fangos.

Variables y parámetros a registrar:

Ta en el MBR

Oxígeno disuelto (OD) en el MBR

Presión transmembrana (PTM)

Concentración de MLSS (X)

Parámetros y Puntos de Control

DQO, NT, PT y EC, en

(1) Entrada al MBR

(2) Salida del MBR

Actividad respirométrica del fango activo

(3) Licor Mezcla

FIGURA 4.10: DIAGRAMA DE FLUJO DE LA PLANTA PILOTO. (TRAPOTE JAUME,

2013)

4.3 PLANIFICACIÓN DE EXPERIMIENTOS

La experimentación guarda mucha relación con los objetivos que se quieren alcanzar con la

investigación y es donde se define los parámetros que se determinarían cada uno de los

ensayos, los protocolos de muestreo, la frecuencia de los muestreos, así como las técnicas e

instrumentos adecuados.

4.3.1 ENSAYOS

Una vez definidos y descritos los parámetros en función de los objetivos mencionados

anteriormente, se establece los tipos de ensayos y la programación de los mismos como se

presenta en la Tabla 4.4.



47

TABLA 4.4: TIPOS Y FRECUENCIA DE ENSAYOS

Parámetros Frecuencia

muestreos

Puntos de muestreo

Alimentación

(1)

Reactor

(2)

Permeado

(3)

pH 2 x semana x x x

Sólidos Suspensión 2 x semana x

DQO 2 x semana x x x

Fósforo Total 2 x semana x x x

Nitrógeno Total 2 x semana x x x

Sustancias prioritarias 2 x semana x x

Respirometría 1x 2 semana x

(1) Alimento Concentrado.

(2) Licor Mezcla del Reactor.

(3) Agua Producto.

4.3.2 TÉCNICAS ANALÍTICAS

Durante la Planificación de experimentación se determina los tipos de ensayos y las técnicas

analíticas que se utilizan que a continuación se detallan:

4.3.2.1 DETERMINACIÓN DE pH

El principio básico de la determinación electrométrica del pH es la medida de la actividad

de los iones hidrógeno por mediciones potenciométrica utilizando un electrodo patrón de

hidrógeno y otro de referencia. El electrodo de hidrógeno consiste en un electrodo de platino

por el que se pasan burbujas de hidrógeno gaseoso a una presión de 101 kPa. Debido a la

dificultad de utilizarlo y al potencial de intoxicación del electrodo de hidrógeno, se utiliza

comúnmente el electrodo de vidrio.

Procedimiento:

Calibrado del aparato. Seguir las instrucciones del fabricante, en cada caso, para el

medidor de pH y para conservación y preparación de los electrodos para su uso.



48

Mantener los electrodos húmedos, colocándolos en la solución para almacenado

siempre que no se utilice el medidor de pH.

Antes de su uso, se debe extraer los electrodos de la solución de conservación, lavar

y secar con un paño suave.

Posteriormente calibrado el equipo, se coloca la muestra y se mantiene en agitación

constante. Se procede a introducir el electrodo y cuando el valor se ha estabilizado

se anota el resultado.

Equipos y materiales:

Procese

pH-metro CRISON (Modelo BASIC 20+) con electrodo de compensación de

temperatura (ver Figura 4.11).

Vaso de precipitado 50 mL

Mosca de agitación

4.3.2.2 DETERMINACIÓN DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN

Es la porción de sólidos totales que no atraviesan un filtro de tamaño de poro, porosidad,

área y espesor determinados.

Los SS son los obtenidos tras la filtración de un volumen determinado de muestra a través

de un filtro de fibra de vidrio (Merck-Milipore) con un tamaño nominal de poro de 0,7 µm.

FIGURA 4.11: EQUIPO DE MEDICIÓN DEL PH



49

Procedimiento:

Inicialmente se pesa el filtro de 0,7 µm y apuntarlo.

En un matraz kitasatos se filtra una determinada cantidad de agua a través del filtro

anteriormente pesado (apuntar el volumen de muestra filtrada).

El filtro, que contiene los sólidos recogidos tras la filtración, se seca a 105 °C en la

estufa durante una hora.

Esperar enfriar y pesar el filtro seco.

Por la diferencia de pesos se determinan los sólidos en suspensión según la Ecuación

4.1.

𝑆𝑆 = 𝑀1 − 𝑀0

𝑉∗ 1000

ECUACIÓN 4.1: CÁLCULO DE LOS SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN

Donde:

SS= Concentración de sólidos en suspensión presentes en la muestra, mg·L-1.

M1= Masa del filtro + residuo en el filtro tras el secado a 105 ºC, g.

M0= Masa del filtro, g.

V= Volumen de muestra filtrada, L.


Balanza (Crystal 500 - Gibertini).

Discos filtrantes (Merck-Milipore) con tamaño nominal de poro de 0,7 µm.

Dispositivo de filtración acoplado a una bomba de vacío (VWR - Modelo VP-86)

compuesto por matraz kitasato y embudo buchner.

Estufa (Selecta-Conterm).

Vidrio de reloj.

En la Figura 4.12 se muestran los principales equipos que se emplean para obtener las

concentraciones de sólidos en suspensión.



50

A B C

FIGURA 4.12: EQUIPOS UTILIZADOS: BALANZA (A), SISTEMA DE FILTRACIÓN (B) Y

LA ESTUFA (C).

4.3.2.3 DETERMINACIÓN DE DQO

La Demanda Química de Oxígeno (DQO) es una medida del oxígeno equivalente al

contenido de materia orgánica de una muestra susceptible a la oxidación por un fuerte

oxidante químico.

El método del dicromato es el que más se usa para determinar la concentración de materia

orgánica en aguas residuales debido a la mayor capacidad de oxidación, a su aplicación a

una amplia variedad de muestras y a su fácil manipulación. La oxidación de la mayoría de

los compuestos orgánicos es del 95 al 100 % de su valor teórico.

El test se lleva a cabo calentando a reflujo, abierto o cerrado, un determinado volumen de

muestra con dicromato potásico (K2Cr2O7) en exceso, en presencia de ácido sulfúrico

(H2SO4), durante 2 h. La materia orgánica de la muestra se oxida y, como resultado, el

dicromato (Cr+6, amarillo) se reduce a Cr+3 (verde).

Las medidas se llevan a cabo por valoración del dicromato que no se ha reducido (en exceso)

o por determinación colorimétrica de la sal verde producida. El método de la valoración es

más exacto pero más laborioso. El método más rápido y sencillo es mediante kits (cubetas

test de Macherey-Nagel).

Procedimiento:

Abrir el tubo de test, mantenerlo inclinado, cubrir lentamente el contenido con la

cantidad de muestra indicada (sin mezclarlo).



51

Enroscar fuertemente el tapón del tubo de test, sujetar el tubo por el tapón de rosca,

colocarlo en el recipiente de seguridad, agitarlo y colocarlo en el calefactor. Poner

éste en funcionamiento (temperatura de 148 °C).

Al cabo de 2 horas sacar el tubo de test del bloque calefactor, agitarlo otra vez

transcurridos unos 10 minutos (todavía caliente) y dejarlo enfriar a temperatura

ambiente.

Limpiar el tubo de test por el exterior y medir en el espectrofotómetro.


Kit Test 0-26 NANOCOLOR® (Rango: 15-160 mg/L DQO)

Kit Test 0-88 NANOCOLOR® (Rango: 1000-10000 mg/L DQO)

Digestor (TR 300, Merck).

Espectrofotómetro (NANOCOLOR® 500 D, Macherey-Nagel).

En la Figura 4.13 se muestran los equipos utilizados en la medición de la demanda química

de oxígeno.

A B

FIGURA 4.13: EQUIPOS UTILIZADOS PARA OBTENER LA DQO: DIGESTOR(A) Y

ESPECTROFOTÓMETRO (B).

4.3.2.4 DETERMINACIÓN DE FÓSFORO TOTAL

El fósforo junto con el nitrógeno, son dos de los nutrientes fundamentales de todos los seres

vivos, de forma que contenidos anormalmente altos de estos en las aguas pueden producir

un crecimiento incontrolado de la biomasa acuática (eutrofización). Una gran parte del

fósforo presente en las aguas se debe al uso de abonos fosfatados y detergentes. La

determinación se efectúa por espectrofotometría, siendo necesaria la digestión previa de los

polifosfatos en fosfatos, para su análisis posterior.



52

Procedimiento:

Abrir el tubo de test y añadir 0,2 mL de muestra.

Añadir 1 Nanofix - R2.

Enroscar bien el tapón del tubo de test, agitarlo y colocarlo en el calefactor. Poner

éste en funcionamiento (temperatura de 100 °C).

Al cabo de 1 hora sacar el tubo de test del bloque calefactor y dejarlo enfriar a

temperatura ambiente.

Añadir 1 Nanofix - R3 y 0,2 mL - R4, mezclar. Limpiar el tubo de test por el exterior

y medir después de 10 minutos en el espectrofotómetro.


Kit Test 0-55 NANOCOLOR® (Rango: 5-50 mg/L P).

Digestor (TR 300, Merck).


4.3.2.5 DETERMINACIÓN DE NITRÓGENO TOTAL

Procedimiento:

Abrir el tubo de descomposición A y añadir 0,5 mL de muestra.

Añadir 1 cuchara rasa de reactivo de descomposición, cerrarlo y agitar bien.

Colocar el tubo de descomposición A en el bloque calefactor y calentar durante 1

hora a 100 °C.

Al cabo de 1 hora sacar el tubo del bloque calefactor, agitar brevemente y dejar

enfriar a temperatura ambiente.

Abrir el tubo de descomposición A frío y añadir 1 Nanofix reactivo de compensación,

cerrarlo y agitar bien (solución de descomposición).

Abrir el tubo de test Nitrógeno Total y añadir 0,5 mL de solución de descomposición.

Añadir 0,5 mL - R4, cerrar y mezclar volteándolo varias veces.

Limpiar el tubo de test por el exterior y medir después de 10 minutos en el

espectrofotómetro.


Kit Test 0-88 NANOCOLOR® (Rango: 5-220 mg/L N)

Digestor (TR 300, Merck)




53

4.3.2.6 RESPIROMETRÍA

La respirometría es una técnica que mide el consumo de oxígeno de los microorganismos

contenidos en un fango activo. Empleando esta técnica se pueden determinar los principales

parámetros de la cinética bacteriana heterótrofa, fauna encargada de la degradación de la

materia orgánica y en la que se centra este estudio (también es aplicable para la

determinación de la cinética de las bacterias autótrofas): YH, MLVSS, kd, Ks, qmáx y µmáx.

Permite también tener una idea de la actividad microbiana que tiene una muestra de licor

mezcla, mediante las tasas OUR y SOUR.

Dispositivo experimental y procedimiento.

Dispositivo experimental.

- Respirómetro BM-T.

- Vaso de precipitados de 3L.

- Mosca magnética.

- Difusor de oxígeno y bomba de aireación.

- Inhibidor de la nitrificación (Allyl thiourea).

- Embudo.

Preparación de la muestra.

En cada ensayo respirométrico, con el equipo apagado se introduce en el vaso reactor de éste

1 L de muestra de licor del reactor, previamente filtrado para evitar la presencia de sólidos

gruesos. Se le añade Allyl thiourea en la proporción de 3 mg·g SSV-1 al menos una hora

antes de iniciar el ensayo correspondiente para inhibir el proceso de nitrificación, pues lo

que se pretende es estudiar el consumo de oxígeno durante la oxidación de la materia

orgánica.

Una vez introducido el licor, se acciona el equipo BM-T pulsando el interruptor presente en

la parte trasera de éste. Se activa automáticamente la agitación.

Posteriormente se abre el programa en el ordenador, para generar un archivo con los datos

de la muestra y el tipo de ensayo a realizar (OUR o RS). El programa dispone de un sistema

de control automático de la temperatura, del caudal de recirculación y de la aireación (valores



54

de referencia: T = 20ºC, bomba de recirculación en posición 2 y aireación al 50%). Existen

otros modelos de respirómetro que también permiten controlar el pH.

Se activa el sistema de control y se mantiene la muestra en estas condiciones hasta que la

concentración de oxígeno medida por el sensor se estabilice.

Observaciones:

- Para la obtención de los parámetros cinéticos se requiere que el fango esté en condiciones

endógenas. Para ello, se deja en agitación durante un mínimo de 24 horas (según las

propiedades del fango a tratar) con únicamente aporte de oxígeno a través de un difusor

de aire conectado a una bomba de aireación (también se puede dejar en el interior del

reactor del respirómetro manteniendo la agitación y la aireación constantes).

- Se recomienda que la concentración de XVSS en el vaso reactor no exceda 4 g·l-1. Por lo

tanto, si la muestra de lodo tiene una concentración superior, se debe diluir.

Determinación de la tasa de consumo específico de oxígeno.

Procedimiento

Una vez que el oxígeno se estabiliza, se inicia el ensayo para la determinación de la tasa

OUR (ensayo OUR). El programa para la bomba de recirculación y la aireación, de modo

que la concentración de oxígeno disuelto en el licor empieza a disminuir, ya que es

consumido por los microorganismos.

El ensayo finaliza cuando los microorganismos han consumido todo el oxígeno y por tanto

la concentración de éste se mantiene constante.

El programa proporciona los datos de la variación del oxígeno disuelto con el tiempo.

Cálculos

La tasa de consumo de oxígeno (OUR) es un parámetro que determina el oxígeno consumido

por la suspensión biológica del reactor en un tiempo determinado.

La pendiente de la gráfica obtenida en el respirograma es la velocidad de consumo de

oxígeno en el licor mezcla (ver Figura 4.14: Ensayo OUR.):



55

𝐎𝐔𝐑 = 𝐩𝐞𝐧𝐝𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞 (𝐎. 𝐃. , 𝐭)

ECUACIÓN 4.2: ENSAYO OUR

Siendo:

OUR: velocidad de consumo de oxígeno en el licor mezcla, mg O2 consumido· L·-1·h-1.

O.D.: oxígeno disuelto presente en el licor mezcla en cada instante, mg O2·L-1.

t: tiempo, h.

A partir del OUR, se determina la tasa específica de consumo de oxígeno, SOUR. Ésta es

una relación entre la actividad media de los lodos y los sólidos volátiles existentes en el

reactor biológico. Un fango es más activo cuando para una misma cantidad de sustrato y una

misma población de microorganismos, depura más deprisa, por lo tanto, la tasa SOUR es

mayor.

𝑺𝑶𝑼𝑹 =𝑶𝑼𝑹

𝑿𝑽𝑺𝑺

ECUACIÓN 4.3: ENSAYO SOUR

Siendo:

SOUR: velocidad específica de consumo de oxígeno en el licor mezcla, mg O2 consumido·

g MLSSV-1·h-1.

XVSS: concentración de sólidos volátiles en el licor mezcla, g MLSSV·L-1.

FIGURA 4.14: ENSAYO OUR.



56

Si el ensayo se realiza en condiciones endógenas, la velocidad de consumo de oxígeno se

relaciona con la velocidad de descomposición endógena, pudiéndose obtener el parámetro

cinético kd.

𝒌𝒅 =𝑺𝑶𝑼𝑹𝒆𝒏𝒅

𝟏, 𝟒𝟐

ECUACIÓN 4.4: DESCOMPOSICIÓN ENDÓGENA

Siendo:

kd: constante de descomposición endógena, días-1.

SOURend: velocidad específica de consumo de oxígeno en el licor mezcla en condiciones

endógenas, kg O2 consumido· kg MLSSV-1·día-1.

Determinación del coeficiente de crecimiento heterótrofo.

Procedimiento

Una vez que el oxígeno se estabiliza, se inicia el ensayo para la determinación de la tasa de

degradación de un determinado sustrato, ensayo RS.

Se denomina RS a la velocidad de consumo de oxígeno que la adición de una muestra de

sustrato produce en un fango activo. Si se representa gráficamente la variación de dicha

velocidad en el tiempo, se obtiene una curva en la que se distinguen las fases de síntesis y la

evolución hasta alcanzar de nuevo las condiciones endógenas (ver Figura 4.15).

De forma simultánea el respirómetro permite obtener también la variación del consumo de

oxígeno por degradación de sustrato en función de los microorganismos presentes (MLVSS),

velocidad RS,p., como indicativo de la actividad biológica del licor mezcla durante el

proceso de metabolización de éste.

Se obtiene también la demanda de oxígeno requerida por los microorganismos presentes en

el licor, para metabolizar la fracción fácilmente biodegradable del sustrato añadido.

Como sustrato se utiliza acetato de sodio. Se prepara una disolución madre de acetato de

sodio y se determina la DQOsoluble de esta solución (ej. 1L de DQO = 900 mg/L aprox. 1,3 g



57

de acetato). A partir de ésta, se preparan como mínimo dos disoluciones más de DQOs 100

y 200 mg·l-1.

Con cada muestra se lleva a cabo un ensayo RS, definiendo inicialmente en el programa la

concentración de XVSS, el volumen de fango en el vaso reactor, el volumen de muestra (50

ml) y el coeficiente Y que se desea determinar (Y=0 ó el fijado por defecto 0.67)

manteniendo las condiciones del sistema de control expuestas en la preparación de la

muestra.

Una vez que se inicia el ensayo, el equipo solicita la introducción de la muestra. Tras ello,

el equipo mide la variación del consumo de oxígeno utilizado para degradar el sustrato en el

tiempo, finalizando el ensayo cuando no queda sustrato para degradar (el respirograma llega

de nuevo a su línea base).

El programa proporciona los datos de la evolución del consumo de oxígeno en el tiempo

(datos: velocidad de consumo, oxígeno consumido, oxígeno disuelto). Para cada ensayo, se

determina el oxígeno total consumido para la degradación completa del sustrato.

FIGURA 4.15: ENSAYO RS.

Cálculos



58

En primer lugar se determina el coeficiente de rendimiento de la biomasa heterótrofa relativo

a la demanda de oxígeno (YH, COD). Para ello se representa el oxígeno total consumido con

cada muestra (proporcionado por el respirograma) frente a la DQO de ésta (OCacetato vs

DQOacetato). Se ajustan los datos a una recta, con cuya pendiente se determina el coeficiente

YH, COD.

𝒀𝑯,𝑪𝑶𝑫 = 𝟏 −𝑶𝑪𝒂𝒄𝒆𝒕𝒂𝒕𝒐

𝑫𝑸𝑶𝒂𝒄𝒆𝒕𝒂𝒕𝒐

ECUACIÓN 4.5: COEFICIENTE DE RENDIMIENTO DE LA BIOMASA HETERÓTROFA

Siendo:

YH, COD: coeficiente de rendimiento de la biomasa heterótrofa relativa a la demanda de

oxígeno, mg DQOmicroorganismos · mg DQO-1 soluble sustrato.

OCacetato: oxígeno consumido en la degradación de la muestra de sustrato, mg O2·L-1.

DQOacetato: DQO de la disolución de acetato sódico usada de muestra, mg·L-1.

Un parámetro más ampliamente utilizado es el coeficiente de rendimiento de la biomasa

heterótrofa relativo a la concentración de microorganismos (YH, MLVSS). Representa la

producción de lodo biológico producido por unidad de masa de sustrato total consumido.

𝒀𝑯,𝑴𝑳𝑽𝑺𝑺 =𝒀𝑯,𝑪𝑶𝑫

𝒇𝒄𝒗

ECUACIÓN 4.6: RENDIMIENTO DE LA BIOMASA HETERÓTROFA (MICROORGANISMOS)

Siendo:

YH, MLVSS: coeficiente de rendimiento de la biomasa heterótrofa relativa a la concentración

de microorganismos, mg biomasa · mg DQO-1 soluble sustrato.

fcv: 1.48.

Todos estos procesos se realizan con el instrumento que se muestra en la Figura 4.16.



59

FIGURA 4.16: RESPIRÓMETRO BM-T

4.3.2.7 SUSTANCIAS PRIORITARIAS

Las sustancias prioritarias (emerging contaminants or pollutants) son sustancias no reguladas

en su mayoría, con creciente presencia en el medio ambiente. Las consecuencias de su

generación diaria o su persistencia aún no son del todo conocidas. Evidentes riesgos sobre

organismos y seres vivos.

Las depuradoras de aguas residuales convencionales no suelen estar diseñada para la

eliminación de este tipo de contaminantes.

En este estudio fueron adicionados en el agua sintética (alimento) las sustancias prioritarias

que se nombran en la Tabla 4.5 pertenecientes a las familias de triazinas y organoclorados:

TABLA 4.5: LISTA DE SUSTANCIAS PRIORITARIAS INOCULADOS A LA PLANTA.

FAMILIA Compuestos

ORGANOCLORADOS

Alacloro

Lindano

Heptacloro

Heptacloro hepóxido

a-endosulfán

b-endosulfán

Dieldrín

Endrín

Isodrín

p,p-DDD



60

Trifluralina

Linurón

TRIAZINAS

Simazina

Atrazina

Terbutilazina

Para obtener los resultados se tomaron muestras (5 muestras) una vez estabilizado el sistema

para esta carga de trabajo.

Procedimiento:

A partir de soluciones concentradas de cada uno de los compuestos se prepara el

alimento sintético a una concentración de 10 ppb para cada uno de ellos.

Se toman las muestras, se acondicionan, y se lleva a cabo la extracción de los

contaminantes contenidos en éstas mediante un proceso de extracción en fase sólida

(EFS). Posteriormente, se concentran los extractos y se reconstituyen en el disolvente

seleccionado para a continuación, analizarlos mediante cromatografía de gases –

espectrometría de masas en el equipo disponible en el Laboratorio de Servicios

Técnicos de la Universidad de Alicante.

ANÁLISIS DE TRIAZINAS Y ORGANOCLORADOS EN AGUAS RESIDUALES

A continuación se detalla el método que se emplea para la extracción y análisis de triazinas

y organoclorados en aguas residuales.

Las muestras a tratar proceden del biorreactor de membrana de fibra hueca de 90 L tanto de

del afluente como del efluente.

1. Acondicionamiento previo de las muestras.

Se recogen las muestras en botellas de plástico esterilizadas de 500 mL.

Las muestras de alimentación son filtradas con filtros de 1,2 mm de fibra de vidrio

(Millipore).

Las muestras son almacenadas a -20ºC hasta su análisis.

2. Extracción en fase sólida.



61

El proceso de Extracción en Fase Sólida (en inglés, Solid Phase Extraction-SPE que es una

modificación de (De Almeida Azevedo, y otros, 2000)) se realiza en el equipo Auto Trace

280 de Vertex. Se emplean cartuchos Oasis HLB 6cc/ 60mg y disolventes calidad HPLC

(diclorometano, acetonitrilo y agua de Sigma Aldrich).

Para favorecer la retención de los compuestos menos hidrófobos (como por ejemplo: la

simazina, atrazina terbutilazina), se llevan a pH 2-3 las muestras con ácido clorhídrico.

En la Tabla 4.6 se muestran las etapas del proceso SPE. En cada ciclo se pueden tratar como

máximo 6 muestras (duración ciclo = 1 h 32 min).

TABLA 4.6: PROCESO DE EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA.

Etapa Descripción

Activación / acondicionamiento

6 mL diclorometano (30 mL/min)

6 mL acetonitrilo (30 mL/min)

6 mL agua HPLC (30 mL/min)

Carga 200 mL muestra (6 mL/min)

Lavado 1 mL agua HPLC (40 mL/min)

Secado del cartucho con N2 gas durante 30 min.

Elución

(recogida de extractos en tubo de

ensayo)

Elución con 2,5 mL acetonitrilo: diclorometano (1:1, v/v) (3 mL/min).

Elución con 3,2 mL diclorometano (3

mL/min).

Para las muestras de entrada se cogen 100 mL y para el resto 200 mL.

3. Evaporación y reconstitución.

El extracto recogido en cada tubo se seca con flujo de N2 y, una vez reducido el volumen, se

trasvasa la muestra a un “insert” de 200 µL donde se continúa el proceso hasta secado total.

Para arrastrar los analitos que quedan en el tubo, se añaden unas gotas de diclorometano y

se agita con un vórtex, trasvasando al insert posteriormente, y continuando el proceso.



62

Finalmente, se reconstituye la muestra con 200 µL de disolución de patrón interno (500 µg/L

en trifenilfosfato).

4. Análisis GC-MS.

Las muestras son analizadas mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de

masas. A continuación se detallan las características principales del método analítico

utilizado, denominado TOE (T-triazinas, y O-organoclorados):

Equipo:

Cromatógrafo modelo Agilent 7890 y espectrómetro de masas tipo cuadrupolo modelo

Agilent 5975.

Columna:

Agilent 19091S-433 HP-5MS (5% diphenyl–95% dimethylpolysiloxane). Columna capilar

(30 m × 0.25 mm DI, df = 0.25 µm).

Fase móvil: helio (1.3 mL·min−1).

Programa de temperatura:

T inicial horno: 105ºC (tiempo inicial de equilibrio 1 min)

Rampa:

- De 105 a 160 º C a 20 º C·min-1. 1 min a 160 º C.

- De 160 a 220 º C a 5 º C·min-1. 2 min a 220 º C.

De 220 a 290 º C a 5 º C·min-1. 5 min a 290 º C.

Tiempo: 37,75 min

Temperatura del puerto inyector e interfaz: 250 y 300 ºC

Modo de inyección: SPLITLESS

Volumen inyección: 1 µL

Electron impact ionization: 70 eV

Modo de operación: modo SIM (cuantificación con ion principal e identificación con

iones de confirmación como se muestra en la Tabla 4.7).



63

TABLA 4.7: LISTADO DE COMPUESTOS. IONES DE CUANTIFICACIÓN (PRINCIPAL) Y DE

CONFIRMACIÓN.

Compuesto Ion cuantificador

(m/z)

Iones de confirmación

(m /z)

Alacloro 160 188,146

Lindano 181 183, 219, 111

Linurón 61 187,124, 189

Trifluralina 306 264, 290

Simazina 201 186, 173

Atrazina 200 215, 173

Terbutilazina 214 229, 173, 138

Heptacloro 272 337, 339

Heptacloro epóxido (isómero B) 353 81, 355

a-endosulfán 195 241, 207

p,p-DDD 235 165, 199,237

Dieldrín 79 81, 380

Isodrin 193 195, 263

Endrín 263 81, 345

b-endosulfán 195 207, 237, 241

Triphenilphosphate 326 325, 77, 215



64

5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Tras 20 días de puesta en marcha y 52 días de operación en carga media, la presente

investigación arroja los siguientes resultados”:

5.1 PARÁMETROS OPERACIONALES La planta piloto durante la investigación presenta un rango de oxígeno disuelto (OD)

entre 1 y 5 mg/L. Este rango es debido a que al entrar la alimentación al sistema, las

concentraciones de oxígeno disuelto (OD) bajan considerablemente. Sería

recomendable para minimizar este intervalo que el diseño de la planta fuese

modificado para su alimentación en continuo.

Las temperaturas de trabajo se mantienen en torno a 25°C en el reactor, lo que indica

que la planta funciona a temperatura ambiente.

La presión transmembrana se mantiene en valores por encima de -0.5 bar como se

muestra en la Figura 5.1 que demuestra las variaciones de la PTM durante la

filtración y relajación de la membrana.

FIGURA 5.1: CICLOS DE PERMEADO Y RETROLADO DURANTE LA FILTRACIÓN

La presión transmembrana se mantiene en valores aproximadamente constantes hasta que

los signos de ensuciamiento irreversible de la misma aconsejan su reposición mostrando

cambios muy notables como se puede apreciar en la Figura 5.2.

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 4 8 12 16 20 24 28

PTM

(b

ar)

Número de Ciclos (Duración = 10.5 min)

PTM

PTM



65

La Figura 5.2 también muestra que indistintamente que la membrana estaba en su fase final

y que las concentración de sólidos en suspensión son considerables aun así se conserva la

PTM hasta el reemplazo de membrana.

FIGURA 5.2: LA PTM SE MANTIENE CONSTANTE FRENTE A LOS MLSS.

Durante la investigación el flujo se aumenta lentamente como se muestra en la Figura

5.3 con valores entre 2.38 y 2.97 L/m2*h. El flujo no se ve afectado por el cambio de

membrana.

FIGURA 5.3 FLUJO DURANTE LOS DÍAS DE OPERACIÓN

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-0.5

-0.45

-0.4

-0.35

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80

PT

M (

bar)

ML

SS

(g

/L)

Días de Operación

PTM Vs MLSS

MLSS (g/L) PTM (bar)

Nueva Membrana

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

20 30 40 50 60 70 80

FL

UJO

(L

/m2

*h

)

DIAS DE OPERACIÓN

FLUJO

FLUJO (L/m2*h)



66

5.2 REDUCCIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA

La investigación de la planta en cuanto a reducción de materia se muestra en la Figura 5.4

en donde quedan recogidos los datos de la evolución de la DQO a lo largo del tiempo, tanto

en la alimentación, como en el permeado.

Esta evaluación se realizó durante 72 días lo que muestra a la vista de los resultados

obtenidos la eficacia depurativa a lo largo del periodo de estudio fue excelente, obteniéndose

un valor medio del porcentaje de eliminación de valores de DQO del 96%. Comparando con

la capacidad de depuración de la planta híbrida los resultados son de 82 y 98 % (Mendes

Predolin, 2015), valores muy similares a los nuestros.

Esta investigación se realizó a carga media en un rango de 450 a 950 mg de DQO/L.; carga

que se obtiene con el alimento sintético establecido en el aparatado de “calidad de agua a

tratar” en Tabla 4.2: Composición del Alimento Concentrado.

La alimentación se realiza mediante un concentrado de 13500 mg de DQO/L que se diluye

con agua de grifo a la entrada del reactor logrando la carga media de materia orgánica. La

entrada del concentrado y del agua de grifo depende del caudal de permeado; ya que al

aumentar el flujo los sensores de nivel (máximo y mínimo) dan la orden al autómata de

activar o detener la alimentación.

El alimento concentrado se cambia en un periodo de 2 a 3 días lo que provoca una

degradación de la carga orgánica; es por ello que es bastante amplio el rango de la carga

media ya que se aumentaba la carga para que al tercer día aún se mantuviera en el rango

deseado.

Durante el proceso de investigación la alimentación se modificó específicamente el día 35

después de su puesta en marcha debido a que esta investigación se quiere comparar con otra

planta cuyo sistema operacional es híbrida, ya que la compone un reactor anaerobio y un

MBR; esta presentó problemas de altas concentraciones de Amonio y sulfatos que inhiben

los procesos anaerobios afectando directamente el rendimiento de la planta híbrida. Una vez

analizado el problema se modifica la alimentación eliminando la urea y KH2PO4 de las dos

plantas.

El valor de DQO promedio en el efluente durante la investigación es de 29 mg/L. lo que

representa una eficacia del sistema de casi el 100%.



67

La reducción de la materia orgánica no se ve afectada al inocular los sustancias prioritarias

como se muestra en la Figura 5.4 específicamente el día 51 de la investigación se inicia el

vertido de los sustancias prioritarias al alimento concentrado obteniendo resultados de

reducción de materia orgánica por encima del promedio.

FIGURA 5.4: SEGUIMIENTO DE LA DQO, ALIMENTACIÓN CON AGUA RESIDUAL

SINTÉTICA.

5.3 SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN

La reducción de la materia orgánica está íntimamente relacionada con la concentración de

sólidos en suspensión o concentración de microorganismos que se encarga de oxidar la carga

orgánica que entra al sistema.

La determinación de los sólidos totales en suspensión se realizó en muestras procedentes del

reactor biológico.

En la Figura 5.5 se observa la tendencia creciente de esta variable con el paso del tiempo, lo

cual es lógico ya que al no realizar purgas en el sistema la población crecía, lo que se traduce

en un incremento en el valor de la concentración de sólidos en suspensión en el sistema.

De la misma forma se observa que al bajar las concentraciones de sólidos la calidad del

permeado se ve afectada.

0

20

40

60

80

100

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

900.0

1000.0

1 3 8 14 16 21 23 28 32 35 37 42 44 49 51 56 58 63 70 72

ELIM

INA

CIÓ

N D

E M

ATE

RIA

OR

RG

AN

ICA

(%

)

DQ

O (

mg

/L)

DÍAS DE OPERACIÓN

ELIMINACIÓN DE LA MATERIA ORGANICA

Alimento Sintético Permeado Eliminación Global (%)

Inóculo de EC



68

Para la investigación se inoculó licor mezcla procedente de la EDAR de Rincón de León en

Alicante la cual tenía una concentración de 0.8 g/L. De este licor mezcla se colocaron 42 L

en el reactor, que luego de llenar el sistema se inicia con una concentración de 0.5 mg/L de

MLSS.

Durante el proceso de estabilización de la planta los sólidos en suspensión aumentaron su

concentración que luego ya aclimatados empezaron su crecimiento manteniéndose en un

rango de concentración durante esta fase de la investigación de 1.65 a 5.7 g/L. lo que

permitió obtener efluente de buena calidad.

Para los sólidos en suspensión en el efluente, la concentración obtenida es inferior al límite

de detección (1 mg/L), por lo que la separación sólido-líquido mediante la membrana fue

totalmente efectiva. La turbidez en el permeado estaba alrededor de 0.4 NTU.

FIGURA 5.5: EVOLUCIÓN DE LOS SST EN EL REACTOR BIOLÓGICO Y SU INFLUENCIA

EN LA CALIDAD DEL PERMEADO.

0

1

2

3

4

5

6

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

900.0

1000.0

1 3 8 14 16 21 23 28 32 35 37 42 44 49 51 56 58 63 70 72

MLS

S (g

/L)

DQ

O (

mg

O2/

L)

DÍAS DE OPERACIÓN

DQO Vs MLSS

DQO de Afluente (mg/L) DQO de Permeado (mg/L) MLSS (g/L)

Inóculo de EC



69

5.3.1 RESPIROMETRÍA

La respirometría nos permite tener una idea de la actividad microbiana que tiene una muestra

de licor mezcla, mediante las tasas OUR y SOUR. Además también con observaciones bajo

el microscopio de muestras procedente del reactor se detectan microorganismos indicadores

de una buena biomasa como el caso de los protozoos y la buena formación del flóculo como

se muestra en la Figura 5.6.

En la respirometría los parámetros más utilizados para evaluar la viabilidad de la biomasa es

la tasa de consumo de oxígeno (O.U.R.- Oxygen Uptake Rate) en condiciones endógenas, la

cual está asociada a la eliminación de sustrato y al crecimiento de la biomasa.

No obstante, para tener una mayor referencia de la actividad de la biomasa, la tasa de

consumo específico de oxígeno (S.O.U.R.-Specific Oxygen Uptake Rate), pues considera la

concentración de SSV del licor mezcla.

La tasa de consumo de oxígeno (OUR–Oxygen Uptake Rate) es un parámetro que se utiliza

para determinar el oxígeno consumido por la suspensión biológica del reactor en un tiempo

determinado. Consiste en medir la variación en el tiempo de la concentración de oxígeno

disuelto presente en una muestra de lodo a la que se le desconecta la aireación (ensayo OUR).

La pendiente de la gráfica obtenida en el respirograma (ver Figura 5.7), representando la

concentración de oxígeno disuelto frente al tiempo, es la tasa de consumo de oxígeno de la

muestra.

FIGURA 5.6: OBSERVACIÓN DE LA

BIOMASA BAJO EL MICROSCOPIO.



70

FIGURA 5.7: RESPIROGRAMA

Con los datos obtenidos en el respirograma se obtiene la pendiente del oxígeno disuelto que

va ser igual al ensayo OUR como se determina en la Ecuación 4.2.

FIGURA 5.8: ENSAYO OUR

𝐎𝐔𝐑 = 𝐩𝐞𝐧𝐝𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞 (𝐎. 𝐃. , 𝐭)= Y= 0.0011 mg O2 consumido/L*s.

-2

0

2

4

6

8

10

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Ox

ígen

o D

isu

elto

(m

g/L

)

Tiempo (s)

Respirograma

OD (mg/L) OUR (mg O2 consumido·L-1·h-1)

y = -0.0011x + 6.3602R² = 0.9974

y = -0.0002x + 5.3554R² = 0.9911

0

1

2

3

4

5

6

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

OD

(m

g/L)

Tiempo (S)

ENSAYO OUR

OD (mg/L) OUR (mg O2 consumido·L-1·s-1)

Lineal (OD (mg/L)) Lineal (OUR (mg O2 consumido·L-1·s-1))



71

𝐎𝐔𝐑 = 𝐩𝐞𝐧𝐝𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞 (𝐎. 𝐃. , 𝐭) = 3.96 𝑚𝑔 𝑂2

𝐿 ∗ ℎ

Con la velocidad de consumo de oxígeno (OUR), se determina la tasa específica de consumo

de oxígeno (SOUR). Esta es la relación entre la actividad media de los lodos y los sólidos

volátiles existentes en el reactor biológico.

El SOUR se calcula con la Ecuación 4.3:

𝑺𝑶𝑼𝑹 =𝑶𝑼𝑹

𝑿𝑽𝑺𝑺 =

𝟑. 𝟗𝟔 𝒎𝒈 𝑶𝟐

𝑳 ∗ 𝒉⁄

𝟐 𝒈

𝑳⁄= 𝟏. 𝟗𝟖

𝒎𝒈 𝑶𝟐𝒈 𝑴𝑳𝑺𝑺𝑽 ∗ 𝒉⁄

A partir de la tasa S.O.U.R. se puede obtener la constante de descomposición endógena kd.

Se aplica la Ecuación 4.4.

𝒌𝒅 =𝑺𝑶𝑼𝑹𝒆𝒏𝒅

𝟏, 𝟒𝟐 =

𝟎. 𝟎𝟒𝟖 𝑲𝒈𝑶𝟐

𝑲𝒈 𝑴𝑳𝑺𝑺𝑽 ∗ 𝒅í𝒂⁄

𝟏. 𝟒𝟐= 𝟎. 𝟎𝟑𝟑/𝒅í𝒂

Para obtener el coeficiente de rendimiento de la biomasa heterótrofa relativa a la demanda

de oxígeno (YH,COD) se realiza el ensayo RS (Velocidad de consumo de oxígeno que la

adición de una muestra de sustrato produce en un fango activo) descrito en el apartado de

técnicas analíticas (4.3.2.7).

Se preparan las muestras de DQOsoluble de Acetato Sódico (C2H3NaO2) y se calcula la

ecuación de la recta como se muestra en la Tabla 5.1 y la Figura 5.9 respectivamente.

TABLA 5.1: DATOS DEL ENSAYO RS

DQOsoluble (mg/L) Oxígeno Consumido (mg/L)

620 208.57

400 127.33

200 65.75

100 35.52



72

FIGURA 5.9: CÁLCULO DE LA ECUACIÓN DE LA RECTA

Con estos datos obtenidos se procede al cálculo del coeficiente de rendimiento de la biomasa

heterótrofa relativa a la demanda de oxígeno y coeficiente de rendimiento de la biomasa

heterótrofa relativa a la concentración de microorganismos con la Ecuación 4.5 y la Ecuación

4.6 respectivamente.

𝑶𝑪𝒂𝒄𝒆𝒕𝒂𝒕𝒐

𝑫𝑸𝑶𝒂𝒄𝒆𝒕𝒂𝒕𝒐= 𝟎. 𝟑𝟑𝟏𝟕

𝒀𝑯,𝑪𝑶𝑫 = 𝟏 −𝑶𝑪𝒂𝒄𝒆𝒕𝒂𝒕𝒐

𝑫𝑸𝑶𝒂𝒄𝒆𝒕𝒂𝒕𝒐= 𝟏 − 𝟎. 𝟑𝟑𝟏𝟕 = 𝟎. 𝟔𝟔𝟖𝟑

𝒎𝒈 𝑫𝑸𝑶𝒎𝒊𝒄𝒓𝒐𝒐𝒓𝒈𝒂𝒏𝒊𝒔𝒎𝒐𝒔

𝒎𝒈 𝑫𝑸𝑶𝒔𝒐𝒍𝒖𝒃𝒍𝒆 𝒔𝒖𝒔𝒕𝒓𝒂𝒕𝒐

𝒀𝑯,𝑴𝑳𝑽𝑺𝑺 =𝒀𝑯,𝑪𝑶𝑫

𝒇𝒄𝒗=

𝟎. 𝟔𝟔𝟖𝟑

𝟏. 𝟒𝟖= 𝟎. 𝟒𝟓𝟏𝟓

𝒎𝒈 𝒅𝒆 𝒃𝒊𝒐𝒎𝒂𝒔𝒂

𝒎𝒈 𝒅𝒆 𝑫𝑸𝑶𝒔𝒐𝒍𝒖𝒃𝒍𝒆 𝒔𝒖𝒔𝒕𝒓𝒂𝒕𝒐

Después de tener el lodo estabilizado, se realizaron varios ensayos respirométrico igual al

explicado anteriormente con el licor mezcla, arrojando los resultados más representativos

que se muestran en la Tabla 5.2.

TABLA 5.2: RESULTADOS DE LAS RESPIROMETRÍA

OUR (mg O2/L*h) SOUR (mg O2/g MLSSV*h) Kd/día Y H,MLSSV

3.96 1.98 0.03 0.45

2.52 1.8 0.03 0.58

6.84 1.425 0.02 0.43

2.52 0.84 0.01 0.49

y = 0.3317x - 0.1838R² = 0.9976

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400 500 600 700Oxíg

eno

Co

nsu

mid

o (

mg/L

)

Dilusiones de DQO (mg/L)

DQO Vs Oxígeno consumido

Lineal (DQO Vs Oxígeno consumido)



73

5.4 REDUCCIÓN DE NUTRIENTES Para la evaluación de eliminación de nutrientes en la planta piloto, se realizaron medidas de

la concentración de nitrógeno total y fosforo total.

5.4.1 NITRÓGENO TOTAL

Las variaciones de las concentraciones de Nitrógeno Total en el afluente y efluente

(permeado) se observan en la Figura 5.10. La que muestra un promedio de 34% de reducción

de este nutriente en periodos de tiempo específicos que no estén influenciados por el pH.

Este potencial de eliminación de este nutriente es igual al alcanzado en la planta Hibrida

(UASB+MBR), investigación que se lleva paralela al MBR de 90 L (Mendes Predolin,

2015).

Las concentraciones de nitrógeno total que se aportaba a la entrada (afluente) se encuentran

en un rango de 65 a 125 mg/L. y las obtenidas en el efluente varían en un rango muy amplio

por la influencia del pH.

La influencia del pH viene dada por la modificación en los compuestos del alimento

concentrado, en el cual se eliminó la urea y KH2PO4 fue reemplazado en proporciones

adecuadas por el NaHCO3; este último que ejercía un efecto tampón en mantener la

alcalinidad del sistema mientras que su reemplazo solo estabiliza el pH en el rango que lo

encuentre pero con una efectividad muy baja, lo que dio como resultado una acidificación

en el reactor que alcanzó valores hasta de 5.25 unidades de pH.

El pH influye sobre la tasa de crecimiento de las bacterias nitrificantes. Se ha observado que

la tasa máxima de nitrificación se produce entre valores de 7,2 a 9,0 aproximadamente, a

valores inferiores a 6,5 la velocidad de nitrificación se reduce de forma brusca (Avendaño

Villafranca, 2011).

Generalmente las aguas residuales son alcalinas, reciben su alcalinidad de las aguas potables,

compuestos presentes en las infiltraciones de las aguas subterráneas y de químicos

procedentes del sistema de alcantarillado (Avendaño Villafranca, 2011).

Durante el proceso de nitrificación se pierde alcalinidad. Esta pérdida se produce por el uso

de la alcalinidad como fuente de carbono por las bacterias nitrificantes y por la producción

de iones hidrógeno (H+) y de iones nitritos durante la nitrificación. (Avendaño Villafranca,

2011).



74

Debido a la pérdida de alcalinidad el nitrógeno total se acumula en el reactor ya que las

bacterias autótrofas (Nitrosomas y nitrobacter) tienen una limitada reproducción y la

nitrificación y desnitrificación es casi nula; por lo tanto la eficacia del sistema se ve afectado

en cuanto a eliminación de nutrientes.

Posteriormente para estabilizar el pH se le adiciona otra fuente de carbono diferente como

lo es el Na2CO3 y de esta manera se estabiliza el sistema obteniendo nuevamente un

porcentaje de eliminación de nutrientes igual a la etapa inicial.

Otro efecto causante de baja eliminación de nutrientes en esta planta es la ausencia de una

zona anóxica la que permite obtener una mejor eliminación de tanto de nitrógeno como

fósforo.

FIGURA 5.10: POTENCIAL DE REDUCCIÓN DEL NITRÓGENO TOTAL

5.4.2 FOSFORO TOTAL

Las variaciones de las concentraciones de Fósforo Total en el afluente y en el permeado

(efluente) se muestra en la Figura 5.11.

Las concentraciones de fósforo total promedio en el afluente son de 19 mg/L. En el

permeado, las concentraciones de fósforo total promedio son de 11 mg/L de acuerdo a la

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

21 23 28 32 35 37 42 44 49 51 56 58 63 70 72

Eli

min

aci

ón

(%

)

Con

cen

traci

ón

(m

g/L

)

Días de Operación

NITRÓGENO TOTAL


Influencia de pH



75

concentración que entre al sistema. Se alcanzó un porcentaje de eliminación global promedio

de fósforo total de 40% en todo el sistema, mientras que la planta híbrida alcanzó un valor

medio de 33% de reducción (Mendes Predolin, 2015).

Al igual que el nitrógeno en el mismo periodo de tiempo sufrió problemas de reducción por

influencias del pH ya que las bacterias acinetobacter son las encargadas de la degradación

del fósforo son susceptibles a pH ácidos.

Además del pH las bacterias antes mencionadas necesitan de dos fases para la degradación

del fósforo una óxica y otra anóxica para un mejor tratamiento biológico de este nutriente.

FIGURA 5.11: POTENCIAL DE REDUCCIÓN DEL FOSFORO

Para una mejor comprensión de la afectación del pH en cuanto a la eliminación de ambos

nutrientes en la Figura 5.12 se observa que en cuanto al pH se acidifica las reducciones de

nitrógeno y fósforo toman valores negativos, debido a que los microorganismos encargados

de su reducción se les inhiben su entorno y por tanto su actividad, quedando así los nutrientes

almacenados en el reactor dando valores en el permeado o efluente valores por encima de

las concentraciones que entran al sistema.

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

21 23 28 32 35 37 42 44 49 51 56 58 63 70 72

Eli

min

ació

n (

%)

Conce

ntr

ació

n (

mg/L

)

Dias de operacion

FÓSFORO TOTAL


Influencia del pH



76

FIGURA 5.12: INFLUENCIAS DEL PH EN LAS REDUCCIONES DE NUTRIENTES

5.5 REDUCCIÓN DE SUSTANCIAS PRIORITARIAS.

La concentración de cada compuesto en el afluente del biorreactor de membrana se mantuvo

en 10 ppb. En la Figura 5.13 se representan las concentraciones obtenidas de cada compuesto

en el efluente del biorreactor en cada uno de las muestras analizadas.

En la Figura 5.13 se observa que hay compuestos que fueron escasamente eliminados, como

simazina y atrazina; otros prácticamente eliminados en su totalidad (80-95%), como lindano,

terbutilazina, alacloro y linurón; y otros, altamente eliminados, como trifluralina, heptacloro,

isodrín, heptacloro epóxido, a-endosulfán, dieldrín, endrín, b-endosulfán y p,p-DDD.

La familia de las triazinas (simazina, atrazina y terbutilazina) fue la que presentó mayores

concentraciones en el efluente, especialmente simazina y atrazina. Las concentraciones

medias de simazina, atrazina y terbutilazina fueron 7.93, 5.30 y 2.28 ppb, respectivamente.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-160.0

-110.0

-60.0

-10.0

40.0

90.0

20 30 40 50 60 70

pH

Red

ucc

ión

de

Nu

trie

nte

s (%

)

Días de Operación

Reduccion de Nutrientes Vs pH

Reducción de N (%) Reducción del P (%) pH



77

FIGURA 5.13: ANALÍTICAS DE DETERMINACIÓN DE SUSTANCIAS PRIORITARIAS EN EL

EFLUENTE.

Las concentraciones medias en el efluente para linurón, alacloro y lindano, compuestos

parcialmente eliminados, fueron 1.47, 0.85 y 0.47 ppb, respectivamente.

Los compuestos organoclorados dieldrín, endrín, p,p-DDD, b-endosulfán, heptacloro,

heptacloro epóxido y a-endosulfán fueron altamente eliminados, detectándose a

concentraciones medias de 0.22, 0.20, 0.17, 0.12, 0.11, 0.09 y 0.07 ppb, respectivamente. La

trifluralina y el isodrín no fueron detectados (<0.01 ppb) en las muestras de efluentes.

Para tener una mejor perspectiva de los resultados de reducción de estas sustancias en el

sistema estudiado en la Figura 5.14 se representan los porcentajes medios de eliminación.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10C

on

cen

traci

ón

(p

pb

)

Compuestos

Analíticas de EC

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Muestra 5

media



78

FIGURA 5.14: REDUCCIÓN MEDIA DE LAS SUSTANCIAS PRIORITARIAS.

Los porcentajes medios de eliminación de simazina y atrazina fueron 21 y 47%,

respectivamente. (Bernhard, y otros, 2006) Corroboran que estos compuestos, simazina y

atrazina, son poco eliminados en sistemas biológicos, debido, entre otros, a su marcado

carácter polar.

Los porcentajes medios de eliminación para terbutilazina, linurón, alacloro y lindano,

sustancias parcialmente eliminadas, fueron 77, 85, 91 y 95%, respectivamente.

Para el resto de compuestos, dieldrín, endrín, p,p-DDD, b-endosulfán, heptacloro, heptacloro

epóxido, a-endosulfán, trifluralina e isodrín los porcentajes de eliminación fueron superiores

al 98%.

El biorreactor de membrana ha permitido eliminar de la línea de aguas gran parte de los

compuestos organoclorados introducidos, sin embargo, no ha sido tan eficaz para la

eliminación de las triazinas, el linurón, alacloro y lindano. Para determinar el mecanismo

responsable de la eliminación/reducción de los contaminantes (adsorción de contaminantes

en el lodo o biodegradación) habría que posteriormente, determinar la concentración de éstos

en el fango.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Eli

min

ació

n (

%)

Co

nce

ntr

ació

n (

pp

b)

Compuestos

Reducción Media de Sustancias Prioritarias

Afluente (ppb) Efluente (ppb) Eliminación (%)



79

Otra posible línea de investigación es la experimentación de eliminación de sustancias

prioritarias en esta carga, pero con soporte en la biomasa.

En paralelo con esta investigación, se ha realizado otra investigación en un sistema híbrido

combinado anaerobio-biorreactor de membrana (UASB+MBR) como se detalla en (Mendes

Predolin, 2015). Del estudio, cabe resaltar que los compuestos simazina, atrazina y linurón

fueron también los peor eliminados, aunque en este caso, con porcentajes de eliminación

globales de 81, 85 y 86%, respectivamente, superiores a los de esta investigación.



80

6 CONCLUSIONES

La puesta en marcha y la operación del sistema MBR para el tratamiento de aguas residuales

urbanas a un carga orgánica media se realizó satisfactoriamente, logrando resultados

excelentes tanto en los parámetros operacionales como parámetros analíticos.

Durante el período de operación de la planta, la eficacia de eliminación global de DQO se

mantiene en un promedio de 96%.

Las concentraciones de sólidos en suspensión alcanzada en el reactor fueron excelente ya

que se logró un equilibrio de oxidación de materia orgánica Vs el ensuciamiento de la

membrana sin realizar ningún tipo de purga.

La actividad de la biomasa obtenida mediante los ensayos de respirometría es considerada

buena, ya que se encuentra dentro de los rangos de referencias.

La separación sólido-líquido en la membrana fue totalmente efectiva al no encontrar sólidos

en suspensión en el permeado. La turbidez media medida fue de 0,4 NTU.

El porcentaje promedio de eliminación global de nitrógeno y fósforo total fueron de 34 y

40%, respectivamente.

Se comprueba lo descrito en muchas bibliografías sobre la influencia del pH en la reducción

de nutrientes.

El diseño de la planta piloto le hace falta una zona anóxica para asegurar una capacidad

reductora de nutrientes más alta que la lograda hasta el momento.

Se necesita medición constante de pH en el reactor mediante una sonda.

Para evitar la operación de la planta piloto en rangos de concentraciones de oxígeno disuelto

amplios, el caudal de alimentación debe ser continuo.

Para un alimento sintético se recomienda el propuesto por la International Standard

Organization (ISO 1999) sin variaciones de ninguna clase si es para un sistema MBR; ya

que tiene los mismos principios del sistema convencional de lodos activos.

La planta MBR no manifiesta ningún inconveniente con la inoculación de las sustancias

prioritarias; ya que su actividad depurativa continúa normalmente.



81

La planta ha presentado buenos rendimientos en cuanto a la eliminación de las sustancias

prioritarias, principalmente para la familia de los organoclorados que se obtienen cifras muy

significativas entre 85 y 99 %. En el mismo sentido las triazinas (simazina, atrazina y

terbutilazina) se reducen pero en porcentajes menores con valores medios de 21 %, 47% y

77% respectivamente.



82

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Estudio De Biorreactor De Membrana Para El Tratamiento De