Incrustação de membrana: quatro mecanismos e o que cada um exige

A incrustação de membrana é uma perda de permeabilidade, não um único depósito

A incrustação de membrana no tratamento de esgoto é o acúmulo de material na superfície de uma membrana ou dentro de seus poros, e é medida como um custo em pressão. Opere a membrana a uma vazão de permeado fixa e a pressão transmembrana sobe; opere a uma pressão fixa e a vazão cai. A incrustação de membrana em MBR e a incrustação de um trem de ultrafiltração são o mesmo fenômeno em membranas diferentes, e o que importa em ambos é a velocidade com que a pressão se move, e não a pressão em si.

A palavra sugere um único material, e o primeiro passo útil é parar de tratá-la como um só. O licor misto que chega a uma membrana carrega sólidos suspensos, coloides, matéria orgânica dissolvida, íons multivalentes e uma comunidade microbiana viva, e qualquer um deles pode se depositar no mesmo metro quadrado de membrana. O que a estação vê costuma ser uma combinação: camada de torta e bloqueio de poros na superfície, um gel adsorvido de biopolímeros por cima e uma incrustação mineral cristalizando onde a concentração é maior.

A combinação importa porque a forma da tendência de pressão transmembrana é um diagnóstico. Um depósito que uma retrolavagem remove não é o mesmo depósito que exige uma imersão em hipoclorito, e a resposta errada consome vida útil da membrana. Os quatro mecanismos abaixo são aqueles aos quais a literatura e a experiência de operação sempre retornam.

Os quatro mecanismos de incrustação de membrana

Os quatro se sobrepõem no tempo e compartilham um sintoma. Cada um é respondido por uma ação diferente, e uma ação voltada ao mecanismo errado piora o depósito em vez de melhorá-lo.

Camada de torta

Uma camada de torta é o depósito que se forma na superfície da membrana a partir de material grande demais para entrar nos poros: floco, coloides, detritos celulares e os polímeros que eles carregam. É o mais comum dos quatro e o mais tolerante, porque fica retido na superfície e não dentro do poro. Uma torta fresca é o que uma relaxação, uma retrolavagem ou o cisalhamento de uma lavagem com ar são projetados para remover. Uma torta deixada compactar e depois crescer um biofilme por cima deixa de se comportar como um depósito solto e passa a se comportar como uma segunda membrana de resistência desconhecida.

Bloqueio de poros

O bloqueio de poros acontece quando partículas pequenas o bastante para entrar em um poro o fazem, e então o estreitam ou o selam. A descrição clássica o divide em bloqueio completo, em que uma partícula sela a boca de um poro, e bloqueio padrão, em que o material se deposita na parede do poro e o constringe. É o mecanismo por trás da parte mais rápida de uma curva de pressão: uma subida acentuada nas primeiras horas ou dias após a membrana ser limpa ou entrar em operação, e depois uma inclinação bem mais suave quando os poros acessíveis já foram ocupados. Apenas parte dessa subida retorna com uma limpeza física, e é por isso que uma subida inicial que uma retrolavagem não recupera merece ser registrada, e não descartada.

Adsorção orgânica e a camada de gel

A matéria orgânica dissolvida — os produtos microbianos solúveis e as substâncias poliméricas extracelulares que um processo biológico produz — adsorve diretamente sobre o material da membrana e forma um gel na interface. É um evento de química de superfície, e não de peneiramento: as moléculas são muito menores que os poros e chegam independentemente de os sólidos estarem sendo retidos. O gel é fino, denso e resistente, e é o mecanismo mais frequentemente responsável por uma incrustação que uma limpeza física não consegue tocar e uma limpeza química consegue. Ele é alimentado pela biologia: uma idade de lodo longa, uma concentração alta de licor misto e uma baixa relação alimento/microrganismo empurram produtos microbianos solúveis para a água que a membrana tem de atravessar, de modo que uma mudança no ponto de operação biológico aparece primeiro na membrana.

Incrustação inorgânica e bioincrustação

A incrustação inorgânica é precipitação. Carbonato de cálcio, sulfato de cálcio, estruvita e os óxidos e hidróxidos de ferro, manganês e alumínio cristalizam sobre a membrana onde a concentração e o pH os tornam insolúveis, e chegam com uma assinatura que nenhum dos outros três compartilha: um degrau súbito, nenhuma recuperação com uma limpeza física e uma química própria. A bioincrustação é a parte geralmente agrupada neste grupo, e não listada ao lado dele, porque um biofilme é uma comunidade retida em uma matriz dos mesmos polímeros extracelulares, de modo que ele liga material particulado e orgânico à superfície enquanto ácido e álcali atacam o depósito mineral ao redor. Em um biorreator com membrana, a biologia não é uma contaminação externa, mas o próprio processo, e é por isso que a incrustação de um biorreator com membrana se comporta de modo diferente da incrustação em um trem de filtração que não recebe biologia alguma.

Ler os quatro mecanismos a partir da curva de TMP

Uma estação que registra a pressão transmembrana e a vazão de permeado tem um diagnóstico no histórico, desde que o histórico seja lido como uma forma, e não como um número. Quatro formas se repetem.

• Uma subida constante que uma relaxação ou uma retrolavagem traz de volta ao valor inicial é uma camada de torta se comportando como camada de torta. É um sinal de manutenção, e não de falha, e é o sinal que o ciclo de rotina é projetado para responder.
• Uma subida rápida nas primeiras horas ou dias após uma limpeza, achatando depois, aponta para bloqueio de poros. Quanto mais íngreme essa fase inicial, menores as partículas que alcançam os poros, e mais o pré-tratamento à frente da membrana precisa ser examinado.
• Uma subida que sobrevive a toda limpeza física, e que é pior após um período de idade de lodo alta ou concentração alta de licor misto, é o gel adsorvido. É respondida pela química e pelo ponto de operação biológico em conjunto.
• Um degrau súbito em um ponto onde nada mais mudou é incrustação. Ele costuma ser precedido por uma mudança na química da alimentação, uma excursão de pH ou uma limpeza química que usou um reagente no qual o depósito não se dissolve.

Mais uma forma precisa ser separada de todas as quatro, porque não é incrustação. A viscosidade da água sobe conforme ela esfria — em cerca de metade a mais entre 25 °C e 10 °C — e a resistência ao escoamento sobe com ela, de modo que uma estação de fluxo constante precisa de uma pressão transmembrana mais alta para manter a mesma vazão de permeado no inverno do que no verão. Uma subida de inverno que se reverte conforme a água esquenta, e que não deixa mudança na inclinação da recuperação após uma limpeza, é temperatura, e não depósito. Julgamentos sobre a taxa de incrustação pertencem à pressão corrigida para temperatura.

Onde a incrustação do biorreator com membrana é decidida antes de a membrana vê-la

A maior parte do potencial de incrustação de uma corrente é fixada a montante da membrana. Cinco decisões de operação concentram quase todo o efeito.

• Peneiramento. Um biorreator com membrana normalmente é protegido por peneiramento fino, comumente citado em 1 a 3 mm, porque fibras, cabelos e areia que passam por uma peneira grossa chegam à membrana e não podem ser removidos dela por nenhuma química.
• Idade do lodo e concentração de licor misto. Uma idade de lodo mais longa reduz o lodo excedente e eleva a fração orgânica solúvel; uma concentração mais alta de sólidos suspensos no licor misto, comumente citada em 8 a 12 g/L para um MBR submerso, eleva a viscosidade e a carga sobre a lavagem com ar. Passado um ponto, a concentração extra custa mais em incrustação do que economiza em volume de tanque.
• Aeração na membrana. O ar adicionado sob os módulos existe para lavar a superfície, e não apenas para fornecer oxigênio, e uma estação que o reduz para economizar energia encontra a economia na tendência de pressão transmembrana algumas semanas depois.
• Fluxo. Operar abaixo do fluxo crítico — o fluxo acima do qual a taxa de incrustação deixa de ser modesta e passa a ser íngreme — é a maior alavanca isolada sobre a formação de torta.
• Temperatura. A água fria eleva a viscosidade, desacelera a cinética biológica e muda a composição do que a biologia excreta, de modo que uma estação projetada a partir de uma amostra de estação quente pode encontrar os quatro mecanismos ao mesmo tempo em seu primeiro inverno.

Faixas como as citadas acima são as normalmente dadas na literatura e na experiência de operação, e devem ser lidas como um método de partida, e não como uma especificação, porque o equilíbrio entre elas pertence à água e à biologia de uma estação específica.

Incrustação reversível e irreversível, e a taxa que importa

A distinção entre incrustação reversível e irreversível é decidida pelo que remove o depósito, e não pelo que ele é feito. Material que uma relaxação ou uma retrolavagem remove é reversível; material que volta apenas com uma limpeza química é quimicamente reversível; material que nenhuma limpeza recupera é irreversível, e se acumula até a membrana ser substituída. Cada limpeza move alguma fração do depósito do segundo grupo para o primeiro, e essa fração é a medida de se o regime de limpeza está funcionando.

A taxa importa mais que o nível. Uma estação que registra a permeabilidade após cada limpeza e traça a inclinação entre elas consegue distinguir uma taxa de incrustação estável de uma acelerada meses antes de atingir um teto de pressão, e uma taxa acelerada é o sinal de que algo a montante mudou: um novo lançamento industrial, uma peneira em desvio, uma idade de lodo que derivou. Ler apenas a pressão absoluta adia o diagnóstico até o ponto em que a única resposta que resta é uma limpeza de recuperação.

O que registrar para que um diagnóstico seja possível

• A pressão transmembrana e a vazão de permeado no mesmo instante, para que a permeabilidade possa ser calculada em vez de estimada.
• A temperatura, para que a correção de viscosidade possa ser aplicada antes de qualquer conclusão.
• O momento e o resultado de cada relaxação, retrolavagem e limpeza química, com a permeabilidade recuperada por cada uma.
• Os sólidos suspensos no licor misto, a idade do lodo e o oxigênio dissolvido no tanque da membrana.
• A turbidez ou os sólidos suspensos do permeado, que separam um problema de membrana de um problema biológico.
• Toda mudança na alimentação: um novo lançamento industrial, uma carga sazonal, uma peneira que foi desviada.

De um diagnóstico a uma função da membrana

Os quatro mecanismos são a razão pela qual o custo operacional de uma estação de membrana é uma questão de manutenção tanto quanto de projeto. O artigo complementar sobre produtos químicos e frequência de limpeza de membrana pega a tendência de pressão aqui descrita e a transforma em um regime de limpeza. A página de equipamento MBR integrado apresenta como a membrana, a biologia e a lavagem com ar são empacotadas juntas, e o fluxo, o ciclo e a química de limpeza que servem ao seu módulo de membrana são confirmados com a fábrica para o seu módulo de membrana e a sua água, e não presumidos de uma tabela.