El ensuciamiento de membranas es una pérdida de permeabilidad, no un solo depósito
El ensuciamiento de membranas en el tratamiento de aguas residuales es la acumulación de material sobre la superficie de una membrana o dentro de sus poros, y se mide como un costo en presión. Opere la membrana a un caudal de permeado fijo y la presión transmembrana sube; opere a presión fija y el caudal cae. El ensuciamiento de membranas en MBR y el de un tren de ultrafiltración son el mismo fenómeno sobre membranas distintas, y lo que importa en ambos es la velocidad con que se mueve la presión, no la presión misma.
La palabra sugiere un solo material, y el primer paso útil es dejar de tratarlo como uno solo. El licor mezclado que llega a una membrana transporta sólidos suspendidos, coloides, materia orgánica disuelta, iones multivalentes y una comunidad microbiana viva, y cualquiera de ellos puede depositarse en el mismo metro cuadrado de membrana. Lo que ve la planta suele ser una combinación: capa de torta y bloqueo de poros en la superficie, un gel adsorbido de biopolímeros por encima y una incrustación mineral que cristaliza donde la concentración es más alta.
La combinación importa porque la forma de la tendencia de la presión transmembrana es un diagnóstico. Un depósito que un contralavado levanta no es el mismo depósito que uno que necesita un remojo con hipoclorito, y la respuesta equivocada consume vida útil de la membrana. Los cuatro mecanismos siguientes son aquellos a los que la bibliografía y la experiencia operativa vuelven una y otra vez.
Los cuatro mecanismos del ensuciamiento de membranas
Los cuatro se solapan en el tiempo y comparten un síntoma. A cada uno responde una acción distinta, y una acción dirigida al mecanismo equivocado empeora el depósito en lugar de mejorarlo.
Capa de torta
Una capa de torta es el depósito que se forma sobre la superficie de la membrana a partir de material demasiado grande para entrar en los poros: flóculo, coloides, restos celulares y los polímeros que estos arrastran. Es la más común de las cuatro y la más tolerante, porque se retiene en la superficie y no dentro del poro. Una torta fresca es lo que un relajamiento, un contralavado o el esfuerzo cortante de un barrido con aire están diseñados para levantar. Una torta que se deja compactar y luego desarrollar una biopelícula sobre sí misma deja de comportarse como un depósito suelto y empieza a comportarse como una segunda membrana de resistencia desconocida.
Bloqueo de poros
El bloqueo de poros ocurre cuando partículas lo bastante pequeñas para entrar en un poro lo hacen, y ya sea lo estrechan o lo sellan. La descripción clásica lo divide en bloqueo completo, donde una partícula sella la boca de un poro, y bloqueo estándar, donde el material se deposita en la pared del poro y lo constriñe. Es el mecanismo detrás de la parte más rápida de una curva de presión: un aumento brusco en las primeras horas o días después de que una membrana se limpia o se pone en marcha, y luego una pendiente mucho más plana una vez ocupados los poros accesibles. Solo parte de ese aumento se recupera con una limpieza física, por lo que un aumento temprano que un contralavado no recupera merece registrarse en lugar de descartarse.
Adsorción orgánica y la capa de gel
La materia orgánica disuelta —los productos microbianos solubles y las sustancias poliméricas extracelulares que produce un proceso biológico— se adsorbe directamente sobre el material de la membrana y forma un gel en la interfase. Es un fenómeno de química de superficies y no de tamizado: las moléculas son mucho más pequeñas que los poros, y llegan tanto si se retienen sólidos como si no. El gel es delgado, denso y resistente, y es el mecanismo que con más frecuencia explica un ensuciamiento que una limpieza física no puede tocar y una limpieza química sí. Lo alimenta la biología: una edad del lodo larga, una concentración alta de licor mezclado y una relación A/M baja empujan los productos microbianos solubles hacia el agua que la membrana debe atravesar, de modo que un cambio en el punto de operación biológico aparece primero en la membrana.
Incrustación inorgánica y bioensuciamiento
El ensuciamiento inorgánico es precipitación. El carbonato de calcio, el sulfato de calcio, la estruvita y los óxidos e hidróxidos de hierro, manganeso y aluminio cristalizan sobre la membrana allí donde la concentración y el pH los hacen insolubles, y llegan con una firma que ninguno de los otros tres comparte: un escalón súbito, ninguna recuperación con una limpieza física y una química propia. El bioensuciamiento es la parte que suele agruparse aquí en lugar de enumerarse aparte, porque una biopelícula es una comunidad retenida en una matriz de los mismos polímeros extracelulares, de modo que fija material particulado y orgánico a la superficie mientras el ácido y el álcali atacan el depósito mineral que lo rodea. En un biorreactor de membranas la biología no es una contaminación externa sino el proceso mismo, y por eso el ensuciamiento de un biorreactor de membranas se comporta de manera distinta al de un tren de filtración que no recibe biología alguna.
Leer los cuatro mecanismos en la curva de presión transmembrana
Una planta que registra la presión transmembrana y el caudal de permeado tiene un diagnóstico en su registro, siempre que el registro se lea como una forma y no como un número. Cuatro formas se repiten.
- Una subida constante que un relajamiento o un contralavado devuelve hacia el valor inicial es una capa de torta comportándose como capa de torta. Es una señal de mantenimiento y no una falla, y es la señal que el ciclo rutinario está diseñado para atender.
- Un aumento rápido en las primeras horas o días después de una limpieza, que luego se aplana, apunta al bloqueo de poros. Cuanto más empinada sea esa fase temprana, más pequeñas son las partículas que llegan a los poros y más hay que revisar el pretratamiento aguas arriba de la membrana.
- Una subida que sobrevive a toda limpieza física y que empeora tras un período de edad del lodo alta o de concentración alta de licor mezclado es el gel adsorbido. Se responde con química y con el punto de operación biológico a la vez.
- Un escalón súbito en un punto donde nada más cambió es incrustación. A menudo lo precede un cambio en la química del afluente, una excursión de pH o una limpieza química que usó un reactivo en el que el depósito no se disuelve.
Hay que separar una forma más de las cuatro, porque no es ensuciamiento. La viscosidad del agua aumenta al enfriarse —en torno a una vez y media entre 25 °C y 10 °C— y la resistencia al flujo sube con ella, de modo que una planta de caudal constante necesita una presión transmembrana más alta para mantener el mismo caudal de permeado en invierno que en verano. Una subida invernal que se revierte al calentarse el agua y que no deja cambio alguno en la pendiente de la recuperación tras una limpieza es temperatura y no depósito. Los juicios sobre la velocidad de ensuciamiento corresponden a la presión corregida por temperatura.
Dónde se decide el ensuciamiento del biorreactor de membranas antes de que la membrana lo vea
La mayor parte del potencial de ensuciamiento de una corriente se fija aguas arriba de la membrana. Cinco decisiones de operación concentran la mayor parte del efecto.
- Cribado. Un biorreactor de membranas se protege normalmente con cribado fino, que suele citarse en 1 a 3 mm, porque las fibras, los pelos y las arenas que pasan un cribado grueso llegan a la membrana y ninguna química puede retirarlos de ella.
- Edad del lodo y concentración de licor mezclado. Una edad del lodo más larga reduce el lodo en exceso y eleva la fracción orgánica soluble; una concentración mayor de sólidos suspendidos del licor mezclado, que suele citarse en 8 a 12 g/L para un MBR sumergido, eleva la viscosidad y la carga sobre el barrido con aire. Pasado cierto punto, la concentración adicional cuesta más en ensuciamiento de lo que ahorra en volumen de tanque.
- Aireación en la membrana. El aire que se inyecta bajo los módulos está para barrer la superficie, no solo para aportar oxígeno, y una planta que lo recorta para ahorrar energía encuentra ese ahorro en la tendencia de la presión transmembrana unas semanas después.
- Flujo. Operar por debajo del flujo crítico —el flujo por encima del cual la velocidad de ensuciamiento deja de ser moderada y empieza a ser empinada— es la palanca individual más grande sobre la formación de torta.
- Temperatura. El agua fría eleva la viscosidad, frena la cinética biológica y cambia la composición de lo que excreta la biología, de modo que una planta diseñada con una muestra de temporada cálida puede encontrarse los cuatro mecanismos a la vez en su primer invierno.
Los rangos como los citados arriba son los que suelen darse en la bibliografía y en la experiencia operativa, y deben leerse como un método de partida y no como una especificación, porque el equilibrio entre ellos pertenece al agua y a la biología de una planta concreta.
Ensuciamiento reversible e irreversible, y la velocidad que importa
La distinción entre ensuciamiento reversible e irreversible la decide lo que retira el depósito, no aquello de lo que está hecho. El material que retira un relajamiento o un contralavado es reversible; el material que solo vuelve con una limpieza química es químicamente reversible; el material que ninguna limpieza recupera es irreversible, y se acumula hasta que la membrana se reemplaza. Cada limpieza traslada alguna fracción del depósito del segundo grupo al primero, y esa fracción es la medida de si el régimen de limpieza está funcionando.
La velocidad importa más que el nivel. Una planta que registra la permeabilidad después de cada limpieza y grafica la pendiente entre ellas puede distinguir una velocidad de ensuciamiento estable de una acelerada meses antes de alcanzar un techo de presión, y una velocidad acelerada es la señal de que algo aguas arriba ha cambiado: un nuevo vertido industrial, un cribado que se está saltando, una edad del lodo que se ha desviado. Leer solo la presión absoluta pospone el diagnóstico hasta el punto en que la única respuesta que queda es una limpieza de recuperación.
Qué registrar para que un diagnóstico sea posible
- La presión transmembrana y el caudal de permeado en el mismo momento, para que la permeabilidad se calcule en lugar de estimarse.
- La temperatura, para que la corrección por viscosidad se aplique antes de extraer cualquier conclusión.
- La hora y el resultado de cada relajamiento, contralavado y limpieza química, con la permeabilidad recuperada por cada uno.
- Los sólidos suspendidos del licor mezclado, la edad del lodo y el oxígeno disuelto en el tanque de membranas.
- La turbiedad o los sólidos suspendidos del permeado, que separan un problema de membrana de uno biológico.
- Todo cambio en el afluente: un nuevo vertido industrial, una carga estacional, un cribado que se ha saltado.
De un diagnóstico al servicio de la membrana
Los cuatro mecanismos son la razón por la que el costo de operación de una planta de membranas es tanto una cuestión de mantenimiento como de diseño. El artículo complementario sobre los productos químicos y la frecuencia de limpieza de membranas toma la tendencia de presión aquí descrita y la convierte en un régimen de limpieza. La página de equipos MBR integrados expone cómo se empaquetan juntos la membrana, la biología y el barrido con aire, y el flujo, el ciclo y la química de limpieza que convienen a su módulo de membrana se confirman con la fábrica para su módulo de membrana y su agua, en lugar de suponerse a partir de una tabla.