Un reactor biològic de membrana o bioreactor de membrana (en anglès, Membrane bioreactor, MBR) és un procés que s'utilitza àmpliament per al tractament d'aigües residuals municipals i industrials. És la combinació d'un procés de membrana (com la microfiltració o la ultrafiltració) amb un procés biològic de tractament d'aigües residuals, el procés de depuració biològica de fangs activats.
Visió general La tecnologia de membrana es fa servir àmpliament per diversos tractaments i aplicacions de reutilització. En els últims anys, les membranes han estat reconegudes com un dels tractaments tecnològics predilectes pel tractament d'aigües residuals tant per la indústria com a escala municipal. Un exemple d'aquesta tecnologia és el procés del reactor biològic de membrana. Aquesta tecnologia ha guanyat adeptes per la millora dels resultats aconseguits en el tractament d'aigües residuals i pels seus avantatges associats com són la qualitat de l'efluent i les seves reduïdes dimensions.
Quan es fa servir un reactor biològic de membrana (MBR) per aigües residuals domèstiques, es pot arribar a aconseguir un efluent d'alta qualitat, amb uns paràmetres suficients per ser abocat directament al riu o al mar, o bé, per ser reciclada com a aigua de reg de jardins urbans. Altres avantatges dels MBR inclouen unes menors dimensions del reactor i una fàcil adaptació en plantes de tractament ja existents. És possible operar amb processos de MBR a altes concentracions del licor de mescla de sòlids en suspensió (Mixed Liquor Suspended Solids, MLSS), comparant amb el sistema convencional de separació, reduint així el volum del reactor per aconseguir la mateixa taxa de càrrega (Figura 2).
Història i paràmetres bàsics d'operació dels MBRs Tot i que la tecnologia MBR es presenta com una tecnologia recent, la realitat és que des de la dècada dels 60, que ja hi ha diferents casos d'investigació i comercialització de MBRs. Ja en aquella època, es va començar a considerar la combinació de membranes amb un procés biològic com un sistema òptim pel tractament d'aigües residuals. La primera idea de substituir el sedimentador per un procés d'ultrafiltració dins del procés convencional de fangs activats, foren Smith et al., l'any 1969. Una altra de les primeres aportacions va ser la de Hardt et al., el 1970, que va utilitzar un reactor biològic aerobi de 10 litres amb una membrana d'ultrafiltració per tractar una aigua residual sintètica. La concentració de sòlids en suspensió del licor de mescla (MLSS) era alta comparada amb un sistema convencional aerobi (entre 23 i 30 g/L). El flux a través de la membrana era de 7,5 L/m2•h i l'eliminació de la demanda química d'oxigen (DQO) va ser al voltant del 98%.
A la dècada dels 60 la companyia Dorr-Oliver va desenvolupar un sistema per al tractament d'aigües residuals utilitzant membranes anomenades Membrane Sewage Treatment (MST). El procés combinava l'ús d'un reactor biològic de fangs activats amb un flux a través d'una filtració de membrana. La membrana plana feta servir en aquest procés era polimèrica i el seu rang de mida de porus anava de 0,003 a 0,01 μm. Encara que la idea de substituir el tanc de sedimentació convencional del sistema de fangs activats era atractiva, era difícil de justificar el seu ús per l'elevat cost de les membranes, el baix valor econòmic del producte resultant i la pèrdua potencial de funcionament a causa del fouling (embrutiment) de les membranes. Com a resultat, l'atenció es va centrar en la consecució d'elevats fluxos pels quals era necessari la instal·lació d'una bomba per impulsar el flux del MLSS a una alta velocitat a través de la membrana, amb una penalització energètica important (de l'ordre de 10 kWh/m3 producte) per reduir l'embrutiment. A causa de l'elevat cost econòmic de la primera generació de MBRs, només es van trobar aplicacions en àrees molt concretes, com les estacions d'esquí o en parcs de caravanes.
A la dècada dels 70, la tecnologia va entrar per primera vegada al mercat japonès, gràcies a un acord entre les companyies Dorr-Oliver i Sanki Engineering. També en aquesta dècada, Thetford Sistems, actualment part de Zenon Environment, va llançar la seva versió d'un sistema extern (“procés Cycle-Let”) pel tractament aeròbic de les aigües residuals. En les dècades dels 80 i 90, Zenon Environment, va continuar desenvolupant sistemes pel tractament dels efluents industrials. El 1982, Dorr-Oliver va introduir el sistema de reactor anaeròbic de membrana (MARS) per al tractament de l'efluent d'una indústria alimentària. El procés comptava amb una unitat d'ultrafiltració externa al bioreactor. Quasi al mateix temps, a la dècada dels 80, es van desenvolupar al Regne Unit dos sistemes MBR amb microfiltració i ultrafiltració de membrana. A Sud-àfrica es va desenvolupar un sistema consistent en un digestor anaeròbic combinat amb un procés d'ultrafiltració.
El 1989, el govern japonès, juntament amb una sèrie d'importants companyies va acordar invertir en el desenvolupament d'un sistema que fos compacte i que produís un efluent d'alta qualitat de manera que permetés la reutilització de l'aigua. Arran d'això, el primer avenç important pels MBRs va arribar de mans de Yamamoto i companys, que van enginyar la idea de submergir les membranes dins del reactor biològic. Fins llavors, els MBRs havien estat dissenyats de manera separada i externa al reactor (sidestream MBR), confiant amb una pressió de transmembrana (TMP) alta per mantenir la filtració. Amb la membrana directament immersa al bioreactor, el sistema MBR submergit és més utilitzat que el situat fora del reactor, per tractar aigües residuals domèstiques. En la configuració de la membrana submergida, es confia amb un forta aeració amb bombolles per produir la barreja i limitar l'embrutiment. L'energia necessària per al cas de la membrana submergida, pot ser de l'ordre de dues vegades menys que el sistema amb la membrana externa. El sistema d'immersió treballa a un flux més baix, requerint una superfície de membrana més gran. L'aeració és considerada un dels paràmetres més importants del funcionament del procés tant hidràulic com biològic. L'aeració manté els sòlids en suspensió, neteja la superfície de la membrana i proveeix d'oxigen a la biomassa, afavorint una millor biodegradació i una síntesi cel·lular.
Un altre pas essencial pel desenvolupament dels MBRs va ser l'acceptació de fluxos modestos (25% o menys dels de primera generació), i la idea de fer servir dues fases d'aeració per controlar el fouling. Els costos d'operació més baixos que es van obtenir amb la configuració del filtre submergit, juntament amb la constant disminució del cost de les membranes, va encoratjar un augment exponencial de les instal·lacions de plantes amb MBRs des de mitjans dels anys 90. Des de llavors, noves millores en el disseny i operacions dels MBRs s'han introduït i incorporat a les grans plantes. Mentre els primers MBRs operaven amb temps de retenció cel·lular (solid retention time, SRT) més gran de 100 dies i amb una concentració del MLSS més alta de 30 g/L, les aplicacions recents tendeixen a aplicar temps de retenció cel·lular més baixos, al voltant de 10-20 dies, resultant més gestionables els nivells de MLSS, de 10 a 15 g/L. Gràcies a aquestes noves condicions d'operació, la transferència d'oxigen i el cost de la bomba en MBRs, han tendit a disminuir, i en general el manteniment s'ha simplificat. Existeix una gamma de sistemes MBRs comercialment disponibles, la majoria dels quals utilitzen membranes submergides encara que alguns mòduls externs també estan disponibles; aquests sistemes externs també fan servir dues fases de fluxos d'aeració per controlar el fouling. Els temps hidràulics de retenció (hydraulic retention times, HRT) estant entre 3 i 10 hores. En termes de configuració de membranes, principalment, les de fibra buida (hollow fibre) i les de làmina plana (flat sheet) són les més aplicades en MBRs. Tot i l'eficiència energètica dels sistemes de membranes submergides, encara hi continua havent un mercat per les membranes externes al reactor, particularment per aplicacions industrials. Per alleugerir el manteniment de la configuració de les membranes externes, aquestes poden ser instal·lades en un nivell més baix de la planta. Aquest fet afavoreix el reemplaçament de la membrana sense haver d'utilitzar ascensors especialitzats. Com a resultat, continua la recerca dels reactors biològics amb sistema de membrana externa, a través de la qual s'ha trobat que plantes a gran escala poden operar amb fluxos més alts. Això ha culminat en aquests últims anys, amb el desenvolupament de sistemes de baixa energia que incorporen controls més sofisticats dels paràmetres de funcionament, connectats amb rentades periòdiques, les quals permeten una energia d'operació més sostenible de l'ordre de valors més baixos de 0,3 kWh/m3 producte. En resum, les primeres plantes MBR van aparèixer a Amèrica del Nord a la fi de la dècada dels anys setanta i a principi de la dècada dels vuitanta, al Japó i Sud-àfrica. La introducció a Europa dels MBRs aeròbics no es va produir fins a mitjan anys noranta.
Configuracions dels MBRs Hi ha dues configuracions de MBRs: intern/submergit, on les membranes estan immerses íntegrament dins del reactor biològic, i extern/fora del reactor (sidestream), on la unitat de membranes està separada del procés i requereix una bomba de pas. Recents tècniques innovadores i una reducció significativa del cost de les membranes, ha permès als MBRs esdevenir un procés establert com una ferma opció pel tractament d'aigües residuals. Com a resultat, el procés del MBR ha aconseguit posicionar-se com una atractiva opció pel tractament i reutilització de les aigües residuals industrials i urbanes, per l'evidència del seu creixement i la seva capacitat. El mercat actual dels MBRs s'estimava amb un valor al voltant dels 216 milions de dòlars el 2006 que ha anat creixent fins als 363 milions de dòlars el 2010. Els MBRs es poden utilitzar per reduir l'espai que ocupa un sistema convencional de fangs activats de tractament d'aigües residuals, per l'eliminació de part del líquid del licor de mescla. Això deixa un producte de rebuig concentrat que es pot tractar a continuació utilitzant el procés de fangs activats, un digestor anaerobi o directament passar-ho per una centrifugadora i portar-ho a l'abocador.
Intern/submergit L'element filtrant està instal·lat en el dipòsit del mateix reactor biològic, immers en el seu interior (Figura 3). La força impulsora a través de la membrana s'assoleix pressuritzant el reactor biològic o creant una pressió negativa al costat de la membrana que conté l'aigua filtrada (permeat). Les membranes poden ser de làmina plana o tubular, o combinació de les dues. La neteja de les membranes es realitza a través de freqüents retrorentats amb aigua permeada, mitjançant el bombejat del permeat de tornada a través de la membrana, també es pot fer amb aire, o també mitjançant solucions químiques per tal d'evitar l'efecte del fouling (embrutiment). Cal una aeració addicional per subministrar l'aire necessari per homogeneïtzar el contingut del tanc, pel procés biològic i per la mateixa neteja de les membranes. Els mòduls de les membranes són retirats del dipòsit i transferits en un tanc de neteja fora de la línia.
Extern/fora del reactor miniatura|Sistema de MBR extern Els elements filtrants estan instal·lats externament al reactor, sovint en una habitació de la planta de tractament (Foto 1). La biomassa pot ser bombejada directament a través d'un nombre de mòduls de membrana en sèrie i retornada al bioreactor, o bombejada en un banc de mòduls, on a través d'una segona bomba, es fa circular a través dels mòduls en sèrie. La neteja i remull de les membranes es pot realitzar en el mateix lloc amb l'ús d'un tanc de neteja, una bomba i una canonada.
Configuracions avançades i comparatives