Introdução ao MBR

1. O que são biorreatores de membrana?

A filtração por membrana tem um papel importante no tratamento de água e águas residuais, sendo superior às tecnologias convencionais de água, com melhor desempenho comprovado e economia mais eficiente. Os processos básicos de membrana são microfiltração (MF), ultrafiltração (UF), nanofiltração (NF), osmose inversa (RO). Os intervalos de separação destas membranas são os seguintes: 100 a 1000 nm para o MF, 5 a 100 nm para o UF, 1 a 5 nm para o NF e 0,1 a 1 nm para o RO. Durante mais de 10 anos, os MBR surgiram como uma tecnologia de tratamento secundário eficaz, utilizando membranas na gama de MF e UF.

Fig. 1, Classificação das membranas de acordo com o tamanho dos poros

Os processos

Um biorreator de membrana (MBR) são utilizados principalmente para o tratamento de águas residuais (WWT) utilizando microfiltração (MF) ou ultrafiltração (UF) e integrando-os num processo biológico como biorreator de crescimento em suspensão. As membranas são utilizadas como filtro removendo os sólidos que se desenvolvem durante o processo biológico, o que proporciona um produto límpido e livre de patogénicos. Um exemplo visual pode ser encontrado na imagem seguinte de um MBR imerso (iMBR) da Figura 2.

Fig. 2, O efluente passa por uma tela fina para a remoção de objetos de grandes dimensões que possam causar danos nos equipamentos a jusante. Em seguida, entra numa Zona Anóxica para o tratamento de matéria azotada e fosfato, seguindo-se uma Zona Aeróbica onde os microrganismos, com a ajuda do oxigénio que sai do FBD, irão digerir a matéria orgânica nas águas residuais e aglomerar-se enquanto o fazem, produzindo uma lama. Este lodo entrará no Biorreator de Membrana Imersa onde a membrana irá separar o biorreator. os sólidos e os microrganismos da água.

Um biorreator de membrana é essencialmente um substituto do sistema convencional de lamas ativadas (CAS) para o tanque de decantação para separação sólido/líquido. O MBR oferece ao utilizador final um melhor controlo do processo e uma qualidade muito melhor da água do produto.

O processo MBR opera numa gama de parâmetros consideravelmente diferente do processo convencional de lamas activadas

• SRT 5 a 20 dias para sistema convencional - 20 a 30 dias para MBR
• F/M 0,05 -1,5 d-1para sistema convencional - < 0,1 d-1 para MBR
• MLSS 2.000 mg/L para processo convencional - 5.000 -20.000 mg/L para MBR

Em geral, os MBR têm três configurações de membrana distintas (Fig. 3),

1. folha plana (FS)
2. fibra oca (HF)
3. multitubo (MT)

Fig. 3, configurações de membrana MBR, A) fibra oca, B) multitubo, C) folha plana

2. Aplicações MBR

Os

Os MBR são geralmente uma opção preferencial quando,

1. O espaço é limitado
2. O utilizador final requer água tratada de elevada qualidade (por exemplo, para reutilização de água)

Regulamentações ambientais cada vez mais rigorosas, juntamente com uma diminuição do MBR CAPEX e OPEX, levaram a um aumento das instalações e do tamanho em todo o mundo. Os MBR já foram implementados em mais de 200 países em todo o mundo, com um número de fábricas com mais de 4.200 m3/d de capacidade e as suas taxas de crescimento até 15% são reportadas regularmente em diversas análises de mercado.

Normalmente a tecnologia MBR é aplicada às águas residuais com um teor de carbono orgânico facilmente biodegradável. Este último é especialmente verdade quando se trata do setor alimentar e das bebidas, que tem feito um uso extensivo das tecnologias MBR.

Os mercados de águas residuais que contêm conteúdo moderadamente biodegradável (por exemplo, lixiviados de aterros sanitários e efluentes farmacêuticos) também têm registado um crescimento de MBRs devido aos longos tempos de retenção de sólidos (SRT) que permitem um tratamento biológico melhorado em relação aos processos biológicos convencionais.

As águas que contêm óleo em suspensão (vegetal ou mineral) requerem pré-tratamento (por exemplo, separação das placas, flotação com ar dissolvido ou ambos) para proteger a membrana.

Embora o mercado global de MBR seja dominado principalmente por algumas grandes empresas, o número de fornecedores de tecnologia continua a crescer, com mais de 70 produtos de módulos de membrana MBR disponíveis no mercado atualmente.

De um modo geral, os MBR têm sido aplicados para tratar efluentes em vários setores industriais, tais como:

1.      alimentos e bebidas &menos; elevada carga orgânica

2.      indústria petrolífera &menos; setores de exploração, refinação e petroquímico

3.      indústria farmacêutica - contêm ingredientes farmacêuticos ativos (APIs)

4.      indústria da pasta de papel e papel &menos; elevados níveis de sólidos em suspensão, DQO e DBO

5.      efluente da indústria têxtil &menos; re-biodegradabilidade, toxicidade, conteúdo e cor de FOG

6.      lixiviado de aterro &menos; grande variedade de compostos orgânicos e inorgânicos dissolvidos e em suspensão

7.      efluentes de navios &menos; requisitos legislativos e restrições de espaço.

8.      Tratamento industrial versus tratamento municipal

 

3. Quais as vantagens dos MBR?

É geralmente reconhecido que os biorreatores de membrana apresentam uma série de vantagens em relação a outras tecnologias de águas residuais,

• I.    Controlo independente de HRT e SRT
• II.   Efluente de alta qualidade
• III.  Pegada pequena
• IV.  Biotratamento melhorado.
• V.   Controlo independente de HRT e SRT
• VI.  MBR OPEX

I.    Controlo independente de HRT e SRT

Como os sólidos biológicos (licor misto ou lamas) estão completamente contidos no biorreator, isto permite que o tempo de retenção dos sólidos (SRT) seja controlado independentemente do tempo de retenção hidráulica (HRT). No processo CAS, os sólidos floculantes («flocos») que são essencialmente a biomassa devem crescer em tamanho até ao ponto em que possam ser sedimentados no clarificador secundário. Assim, no CAS o HRT e o SRT estão ligados; à medida que o HRT aumenta, os flocos têm de crescer, o que aumenta a sua sedimentabilidade.

II.   Efluente de alta qualidade

Como os poros da membrana do MBR são de tamanho pequeno (<0,5), o efluente tratado tem uma clareza muito elevada e reduz significativamente a concentração de agentes patogénicos em comparação com o processo CAS. O efluente tem qualidade suficiente para ser lançado em corpos de água ou para ser utilizado em aplicações como a rega urbana, serviços públicos ou descargas de autoclismos. Também pode ser alimentado diretamente num processo de osmose inversa para obter um permeado de qualidade de água ainda mais elevada.

III.  Pegada pequena

CAS tem um HRT elevado, o que leva à necessidade de um tamanho de planta maior. Nos MBRs, devido às concentrações mais elevadas obtidas, a mesma massa total de sólidos está contida num volume mais pequeno, pelo que a pegada é menor.

IV.  Melhor biotratamento

Os MBR têm um SRT mais elevado, o que tende a proporcionar um melhor biotratamento global devido ao incentivo ao desenvolvimento de microrganismos de crescimento mais lento, especificamente nitrificadores. Este facto torna os MBR muito eficazes na remoção biológica de amónia (‘nitrificação’).

V.   Quais as desvantagens dos MBR?

As principais desvantagens de um MBR são a complexidade do processo operacional e o custo que é traduzido em CAPEX e OPEX.

Ambos estes últimos são altamente sensíveis ao custo da membrana. O OPEX é também sensível a,

• a vida da membrana
• caudal de permeado
• a taxa de lavagem do ar da membrana (energia de lavagem do ar)

VI.   MBR OPEX

Em geral, os principais elementos que afetam o MBR OPEX incluem:

1. custo da membrana / m² área de superfície da membrana
2. vida útil da membrana em anos
3. caudal líquido de permeado (caudal do produto/área da unidade), tendo em conta o tempo de paragem e a utilização da água do produto para a limpeza da membrana
4. demanda de aeração específica da membrana (SADm) em Nm³/m² área de membrana/h. Nm³ é o volume de ar à temperatura de 20ºC e à pressão de 1 bar.
5. custos do terreno/ m² área do terreno
6. custo energético/ kWh
7. valor da melhoria da qualidade da água

 (7) não é facilmente quantificável, mas pode ser traduzido na pegada ambiental quantitativa através da análise do ciclo de vida.

6. Avaliando CAS versus MBR

Para que o CAS produza um efluente com a mesma qualidade de água que o MBR, podem ser necessários todos ou alguns dos seguintes:

1. maiores tamanhos de tanques (e, portanto, uma grande área de terreno) para HRT alargado
2. maior dosagem de produtos químicos para atingir uma elevada concentração de fósforo (P)
3. pós-tratamento com um filtro multimédia (MMF) ou ultrafiltração/microfiltração (UF/MF) para obter uma qualidade da água tratada comparável ao MBR com referência aos sólidos em suspensão (SS) e à concentração de microrganismos.

Para as centrais existentes, a modernização com um MBR é determinada pela área disponível. Isto permite melhorar a qualidade da água tratada e/ou aumentar a capacidade de escoamento, embora com maior procura de energia.

7. Configurações MBR

A filtração por membrana MBR tem duas configurações principais; 1) membranas acionadas por vácuo imersas diretamente no biorreator (iMBR) e 2) filtração acionada por pressão em MBRs de fluxo lateral (sMBR) (Fig. 4).

Fig. 4, Principais configurações comerciais de MBR; (A) MBR imerso, (B) MBR Sidestream

Os MBR necessitam de uma força de cisalhamento sobre a superfície da membrana para evitar a incrustação na membrana devido ao conteúdo das águas residuais e são essenciais para manter um fluxo de permeado desejado.

Quando uma corrente de ar/líquido flui paralelamente à superfície da membrana, cria uma força de cisalhamento que ajuda a limitar o grau de incrustação nesta última (Fig. 5).

 

Fig. 5, Utilização de bolhas de ar da aeração para limpar a superfície das membranas MBBR

Os processos imersos estão a utilizar a aeração no biorreator por este motivo, mas os MBR de fluxo secundário necessitam de empregar o bombeamento, como acontece com a maioria dos outros processos de membrana. Esta diferença nas exigências de energia explica o domínio do mercado da configuração iMBR.

Além disso, a incrustação nos sMBRs é maior devido ao bombeamento de lamas activadas, que aumenta a tensão de cisalhamento nos flocos microbianos, provocando a sua quebra, o que leva à diminuição do tamanho das partículas e à libertação de material incrustante.

As configurações do MBR têm três configurações principais de membrana atualmente empregues na prática,

1. folha plana (FS)
2. fibra oca (HF)
3. multitubo ou multicanal (MT/MC)

Embora os sMBRs consumam mais energia do que os iMBRs, eles oferecem uma série de vantagens:

a.   necessidade reduzida de área de membrana, devido à operação de maior fluxo

b.  flexibilidade operacional para operação e desenvolvimento. ciclo de limpeza; ao contrário do iMBR, a limpeza química in-situ das membranas pode ser realizada sem qualquer risco químico para a biomassa

c.  os custos de manutenção e de tempo de paragem da fábrica, especialmente para a substituição de módulos de membrana, são geralmente um pouco mais baixos; os módulos são facilmente acessíveis e, portanto, podem ser substituídos em um tempo muito mais curto do que as membranas imersas

d.  os módulos de membrana podem ser colocados on-line e off-line de acordo com a carga hidráulica

e.  a operação em concentrações mais altas de sólidos é possível

f.  a operação com menor procura de energia é possível se a pressão e as taxas de fluxo forem reduzidas ou se as membranas estiverem configuradas para operação de elevação de ar, embora isto exija mais área de membrana

Para pequenos caudais de efluentes difíceis de tratar, o sMBR é frequentemente predominante devido à sua operação simples, menor área ocupada e manutenção mais simples, especialmente quando se trata de substituição de membranas. Para plantas muito grandes, o iMBR é sempre selecionado com as membranas HF, já que o OPEX geralmente é menor.

Para fluxos intermediários, geralmente escolhemos um iMBR HF ou FS. O FS é mais simples de operar, mas tanto o custo da membrana/m² área como a procura de energia são ligeiramente superiores à configuração HF.

Finalmente, embora a maioria dos sMBRs utilizem a configuração de bomba clássica, se as membranas forem dispostas em série num padrão serpentino, poderão operar no modo air-lift, que tem uma procura de energia quase a mesma que os iMBRs e, portanto, podem ser consideradas para aplicações de águas residuais municipais com a vantagem de uma menor pegada e remoção eficaz de detritos. As membranas, porém, costumam ser mais caras que as imersas.

8. Operação e manutenção de MBR - incrustações, entupimentos e limpeza

O declínio da permeabilidade nos MBR é causado principalmente pela incrustação da membrana e pelo entupimento dos canais da membrana:

1. Ao 'incrustar' entende-se o revestimento da superfície da membrana ou o entupimento dos poros da membrana com sólidos dissolvidos, coloidais ou finos. Normalmente é removido pelos ciclos de limpeza física e química.
2. Ao ‘entupir’ queremos dizer a aglomeração de sólidos brutos dentro ou na entrada dos canais da membrana. O entupimento dos canais às vezes é chamado de "lama".

Na ETAR municipal, por vezes as membranas também podem ficar obstruídas com ‘trapos’ (ou 'tranças') formadas a partir de matéria filamentosa agregada (especificamente fibras têxteis, como o algodão). Chamamos a isto 'ragging' ou 'trançado'.

Fig.6. Declínio da permeabilidade nos MBRs

A limpeza da membrana pode ser física ou química. A limpeza física remove os sólidos grosseiros agarrados à superfície da membrana (incrustação reversível). A limpeza química remove materiais mais tenazes (incrustações irreversíveis).

1. A limpeza física é normalmente realizada através de ‘backflushing’ (revertendo o fluxo de volta através da membrana) que pode ser melhorado pela combinação com ar ou ‘relaxamento’ (cessando a permeação enquanto se continua a limpar a membrana com bolhas de ar). Estas duas técnicas podem ser utilizadas em combinação
2. A limpeza química utiliza geralmente hipoclorito de sódio (NaOCl), um produto químico oxidante, em combinação com ácidos minerais ou orgânicos (na maioria das vezes ácido cítrico, C₆H₈O₇) sem remover a membrana do tanque ou skid (limpeza no local ou CIP). Se a limpeza química for combinada com o backflushing, isto é normalmente chamado de “backflush quimicamente melhorado”. (CEB). Os CEB são realizados rotineiramente semanalmente/mensalmente para iMBRs de HF.

A limpeza física é 1) geralmente rápida, 2) não necessita de produtos químicos, 3) não gera resíduos químicos e 4) tem menor probabilidade de degradar a membrana. No entanto, a limpeza química é sempre necessária em alguns pontos, uma vez que se mantém uma resistência residual que pode ser definida como ‘incrustação irrecuperável’ que se pode acumular ao longo do tempo e diminuir a vida útil da membrana.

A limpeza química cujo objetivo é recuperar a permeabilidade requer concentrações mais elevadas de reagentes e tempos de contacto mais longos.

Não se pode esperar que nem a limpeza física de rotina nem a limpeza química combatam o entupimento, o que exige uma intervenção manual (remoção da membrana imersa dos tanques) para remover o material aglomerado.  

 

 Fig. 7, procedimentos de limpeza física e química de limpeza de membranas MBR