L'estudi s'ha dut a terme dins del marc de treball de les set depuradores d'aigües residuals municipals amb tecnologia MBR existents a Catalunya: la Bisbal d'Empordà, Riells i Viabrea, Vallvidrera, Vacarisses, Sabadell-Riu Sec, Gavà i Viladecans i Terrassa.
Aquesta iniciativa ha permès diagnosticar el funcionament dels MBR i determinar les principals problemàtiques associades a aquesta tecnologia.
Així mateix, s'ha dut a terme una avaluació de les estratègies d'optimització realitzades a cadascuna de les depuradores en els darrers anys, determinant-se l'estalvi energètic aconseguit amb cada actuació.
En aquest sentit s'han demostrat estalvis energètics de fins a un 16% mitjançant l'optimització del procés biològic, concretament a través de la instal·lació de sistemes de control d'aire i reducció de la concentració de sòlids, així com també en el procés de filtració (disminució flux, concentració de sòlids i instal·lació de sistemes de control d'aire) a les depuradores de Vallvidrera, Riells i Viabrea i la Bisbal d'Empordà.
L'estudi detallat de dues de les problemàtiques diagnosticades ha permès millorar el funcionament de la depuradora de la Bisbal d'Empordà, reduint l'embrutiment de les membranes i conseqüentment, disminuint el nombre de neteges químiques necessàries a realitzar, i també proposar millores per a l'eliminació biològica de nitrogen de la depuradora de Terrassa-les Fonts, alhora que es podrien reduir en un 7% els costos d'aeració del biològic i es mantindria la qualitat del procés de filtració.
Al seu torn, aquesta iniciativa ha fet possible la realització d'una tesi doctoral a càrrec de Sara Gabarrón, sota la supervisió dels doctors Joaquim Comas i Ignasi Rodriguez-Roda.
L'objectiu d'aquesta tesi és la diagnosi, avaluació i optimització del disseny i l'operació dels bioreactors de membranes pel tractament d'aigües residuals urbanes.
Concretament, l'estudi s'ha realitzat dins del marc de treball de set estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) municipals amb tecnologia BRM presents a Catalunya.
En primer lloc s'ha dut a terme la diagnosi de l'estat del disseny i operació dels BRM, així com la determinació de les problemàtiques associades a aquesta tecnologia, tant a l'àmbit internacional com específic de les EDAR amb tecnologia BMR a Catalunya.
Les problemàtiques identificades s'han classificat en tres categories: limitacions de disseny, avaries mecàniques (de la instrumentació i de les membranes) i els problemes operacionals.
Tot i que l'estudi ha mostrat una millora del disseny del pre-tractament i del procés de filtració en els BRM més recents, s'ha pogut diagnosticar les principals limitacions de disseny.
S'ha pogut determinar que l'entrada d'objectes externs i el deteriorament dels mòduls de membranes, han estat els motius dels trencaments de membranes observats en les dues EDAR estudiades de més antiguitat.
Per últim, s'ha determinat que l'aparició d'escumes és el problema més habitual en els set BRM, juntament amb la presència de clogging (acumulació de sòlids sobre i entre les membranes).
La presència d'aire en el canal de permeat, les complicacions en fer les neteges químiques i els baixos rendiments de l'eliminació del nitrogen, s'han identificat com els problemes que poden dificultar l'operació d'aquesta tecnologia.
A més, tots els explotadors de les EDAR estudiades han coincidit en que els costos són la principal limitació d'aquesta tecnologia.
Per aquest motiu, s'han avaluat les estratègies d'optimització realitzades i els corresponents costos d'operació dels darrers últims quatre anys de cadascuna de les set EDAR.
Concretament, s'ha determinat la gestió hidràulica com l'element clau per optimitzar les ràtios de consum energètic.
Per poder optimitzar els consums, és essencial operar el BRM a valors pròxims als de disseny, o bé, establir una estratègia hidràulica que permeti treballar en les condicions més òptimes, tal com han fet la majoria d'EDAR estudiades.
Al marge de la gestió hidràulica, s'han identificat optimitzacions aplicades al reactor biològic (instal·lació de sistemes de control d'aire) i al procés de filtració (disminució del flux i de la concentració de sòlids i la instal·lació de sistemes de control d'aire) que han aconseguit millores significatives en els consums energètics de fins a un 16%.
Així mateix, l'avaluació del desglossament dels costos de les EDARs ha mostrat com a factors més rellevants els costos de personal i d'energia.
Així doncs, amb aquesta diagnosi, s'han estudiat en detall dos dels problemes operacionals observats a les EDARs de Catalunya per intentar caracteritzar-los i solucionar-los.
A Catalunya es van construir 7 Estacions depuradores d'aigües residuals amb tecnologia MBR (2004-2009)
El primer estudi experimental s'ha centrat en una de les problemàtiques diagnosticades de clogging, anomenada ragging i que consisteix en l'acumulació de fibres tèxtils sobre i entre les membranes.
Aquest fenomen ha mostrat un gran deteriorament del procés de filtració, tant a escala pilot com a real.
A més, s'ha demostrat que les neteges químiques són ineficients davant d'aquest fenomen, ja que no poden eliminar les aglomeracions de fibres enganxades, i per tant, és necessari recórrer a les neteges manuals per recuperar valors acceptables de filtració.
D'altra banda, l'avaluació de diferents condicions d'operació ha demostrat que la disminució d'entre un 10 i un 20% del cabal de filtració, pot millorar lleugerament l'operació del BRM sota aquest fenomen.
Malgrat això, només l'eliminació de l'elevada concentració de fibres a l'entrada (superior a 40 mg·L -1 ) permetria l'eradicació d'aquest problema.
Amb aquesta finalitat, diferents estratègies de millora del pretractament, basades en l'addició de floculant catiònics i la disminució de la llum de pas dels tamisos del pre-tractament, s'estudien també en aquest treball.
El segon estudi experimental s'ha enfocat en l'optimització de l'eliminació biològica de nitrogen i els costos d'operació mitjançant l'ús d'eines de simulació.
Primerament, s'ha dut a terme una caracterització de l'afluent, fangs actius i efluent per tal d'entendre el sistema i poder desenvolupar i calibrar un model que representés l'operació del sistema estudiat.
L'anàlisi d'escenaris basat en les simulacions ha permès determinar les millors estratègies d'operació en base als costos, l'eliminació de nutrients i la qualitat microbiològica dels fangs (per evitar la proliferació de bactèries filamentoses).
Concretament, la implementació de la disminució de la consigna d'oxigen del tanc aerobi a la planta real, ha obtingut millores tant els en rendiments d'eliminació de nitrogen, com en els costos, i alhora, ha mantingut la qualitat del fang i del procés de filtració.
A més a més, s'han avaluat els costos i l'efecte d'afegir una font de matèria orgànica externa a l'entrada per equilibrar la ràtio de C i N i assegurar una desnitrificació completa.
Membranes amb ragging(ragged), esquerra: la part superior, dreta, l'interior
Imatges de les membranes a escala pilot: abans de netejar-les (dreta), mig, després de netejar-la amb NaClO i l'esquerra netejada amb ClO2.
Millora de la qualitat de les aigües