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Group of Environmental Biotechnology

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1.2.3 Integrated Methanogenic/MBR (SIAM)



The first reference of the use of membrane systems dates back to 1969. An ultrafiltration membrane was used for separating the treated waste water from the biomass in an active sludge system. The combination of the two technologies has lead to the development of the Membrane Bioreactors (MBRs). The majority of current biological treatment systems using membranes are modifications of the activated sludge process, where the secondary settler, used in traditional systems, has been substituted with membrane filtration units for separating the microorganisms in suspension from the treated wastewater.

MBRs ensure biomass retention by the use of micro or ultrafiltration modules. Since biomass is physically retained inside the reactor, there is no risk of cells washout and the conversion capacity is apparently non-dependent on the formation of biofilms or granules. Moreover, since the permeate is free of solids or cells, less post-treatment steps are required if reuse or recycle is of interest, in comparison with sludge bed technologies. So far, the main drawback of MBR systems is related with membrane costs, energy requirements and membrane fouling. However, in recent years important advances have been made in the development of new types of membranes, of which the costs have been significantly reduced. In addition, research is being conducted in order to find reactor configurations and operational procedures that reduce fouling and energy consumption. Over the last decade, the adaptation of membranes coupled with anaerobic biological processes (AMBRs) again has made membrane reactors a promising alternative to conventional wastewater treatment. Moreover, it was demonstrated that AMBRs can also treat low-strength wastewaters with similar treatment performance as aerobic MBRs, even at low temperatures. This research line focuses on three aspects:

1. New MBRs configurations and their applications in urban and industrial wastewater treatment.
The use of a new three stages MBR process with a first methanogenic UASB stage, a second stage with aerobic biofilm growing on small carrier elements maintained in suspension and third stage with membrane filtration module was proposed. Apart from very efficient COD elimination (>95%), the system obtained high production of biogas rich with methane (>75%), lower overall sludge production and higher fluxes than those reported for AnMBR systems, similar rather to those obtained in aerobic MBRs. In this sense, the concept of these three stages MBR was to join the advantages of the methanogenic and aerobic MBR processes, and make the anaerobic treatment feasible even for diluted wastewaters at low temperatures. Even though the system was not designed for nutrients elimination, nitrogen conversions such as nitrification and denitrification were observed. In present, the research is focused on the possibility of denitrification with methane as a carbon source. This investigation is an effect of collaboration with Xunta de Galicia (PGIDT 09MDS009265PR) and the Spanish Ministry of Education and Science (project Novedar-Consolider CSD2007-00055).

2. Pilot scale installations at existing WWTPs.
A medium scale project in collaboration with Aqualia (FCC group) and Xunta de Galicia (Autonomic Gallician Government) is carried out. The aim of this work is to study new technologies (including membrane systems) in wastewater treatment to evaluate the options of scalability to a real scale. The works are being performed in a 4 m3 pilot plant with different configurations to choose the most suitable option. The influent is a real primary settled wastewater from WWTP Lagares in Vigo (Spain). Till now promising results were obtained.

3. Membrane fouling.
One of the main drawbacks of using anaerobic membrane bioreactors (AMBRs) is related with membrane fouling and the maximum operating flux that can be achieved. Feasible flux has a strong influence on both the capital and operation costs of the process. The fraction currently most often mentioned in relation with membrane fouling is the group of soluble microbial products (SMP). Nevertheless, recent studies have introduced a more general approach to the biopolymers responsible for membrane fouling by defining biopolymer cluster (BPC) and transparent exopolymer particles (TEP) as important factors in the formation of the sludge fouling layer on the membrane surface and the increase of fouling potential. Currently, the research is focused on the influence of many parameters, such as MLVSS and internal recirculation on membrane fouling. Moreover, carbohydrate fraction of soluble microbial products (cSMP), BPC and TEP concentration were studied as possible fouling indicators for MBR systems. A strong correlation between both colloidal fraction of BPC (cBPC) and TEP with membrane fouling rate was observed.

Projects

· Integrated anaerobic system for wastewater reclamation at ambient temperature in European climates (LIFE SIAMEC)LogoLife_web.jpgsiamec-hor-700-px-300x81_0.png
European Commission. CETGAL (Proyecto Life) (2015-2018) web: life-siamec.eu

Completed Projects

The proposal is focused on the development of low environmental footprint technologies, in terms of space, energy consumption and low sludge generation,for the treatment of municipal wastewaters in temperate regions, aiming at the minimization of Greenhouse Gases emissions (GHGs) such as CO2 , Methane and Nitrous Oxide, the removal of organic micropollutants (MPs), such as Pharmaceutical and personal care Products,and to determine the fate of nanopollutants(NPs) present in wastewaters, such as metal oxides, which are increasingly used by our society. An additional objective of the project will be to assess that effluents meet water quality requirements for reuse, in terms of chemical, physical and bacterial indicators.

The process to be studied includes an Anaerobic methanogenic reactor for the removal of a large fraction of the Biological Oxygen Demand (BOD) followed by a second moving bed Anoxic chamber in which dissolved methane, present in the effluent of the first methanogenic reactor, is used as the carbon source for denitrification, and a third Aerobic chamber for nitrification. For the third unit two options are considered: A Membrane Bioreactor Integrated System and an Activated Sludge Integrated System.

The proposal is based on the results obtained by the team in a previous project in which it has been proved the removal of 80 % of the dissolved methane and a denitrification of 15-20 mg/L, results still far from the expected from stoichiometric considerations.

Under the scientific point of view an important scientific issue of this project will be the use of dissolved methane as carbon source for denitrification, encouraging the growth of a newly discovered denitrifying methanotroph, Methylomirabilis oxifera, belonging to the NC10 phylum. Also the mechanisms for micropollutants removal, mainly the fate of co-metabolism, will be considered.

An especial attention will be paid to the environmental management including Life Cycle Assessment and Environmental Risk Assessmentin order to evaluate the environmental performance. Moreover, an economic evaluation of the developed technologies will be conducted through a Cost-Benefits Analysis methodology.

The proposal is presented by a team with a solid experience in all topics related with the proposal: anaerobic processes, membrane bioreactors,micropollutants removal, environmental, risk and economic assessment. Stakeholders (a Water Authority and a Company) support the project.

The proposals fits well with the objectives of the Spanish Program of Research, Development and Innovation Oriented to the Societal Challenges, focussing on the solution of problems outlined in challenge 5 about actions on climate change and efficiency in the use of resources and raw materials, as the sustainable use of hydric resources (promoting its reuse) and the minimization of persistant organic pollutants (MPs and NPs) and GHGs emissions.


En este proyecto se propone el desarrollo de un novedoso proceso de reactores biológicos de membranas con tres etapas en serie: anaerobia metanogénica, aerobia y filtración con membranas así como el estudio de sus fundamentos para realizar el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con niveles bajos o moderados de DQO en el que se pueda obtener un agua depurada, que pueda ser reusada, con bajo consumo de energía y producción de fangos, fomentando la sostenibilidad de las plantas de tratamiento de aguas residuales.

Se usará un biorreactor a escala piloto con tres cámaras conectadas en serie: anaerobia metanogénica, aerobia y de filtración (Figura 1 documento anexo). En la cámara de filtración se dispone de un módulo sumergido de membrana de ultrafiltración de fibra hueca, que permite una completa retención de los sólidos en suspensión y permite obtener un permeado de alta calidad, facilitando la reutilización del agua depurada. El biorreactor dispone de sistemas de recirculación entre las cámaras de filtración, aerobia y anaerobia, que permiten recircular hacia la cámara anaerobia metanogénica, tanto el lodo anaerobio que abandonase la primera cámara como la biomasa aerobia generada en exceso en la cámara aerobia, de esta forma se evitaría la perdida de la capacidad anaerobia de la primera cámara y se realiza una digestión anaerobia del fango aerobio que se genere. Se postula que el acoplamiento de etapa con una membrana de filtración tras las etapas de tratamiento anaerobio metanogénico y aerobio, podría vencer la limitación de los sistemas anaerobios para el tratamiento de aguas residuales urbanas a temperaturas moderadas o bajas, ya que evitaría el lavado tanto de la biomasa anaerobia, mientras que la inclusión de la segunda etapa de tratamiento aerobio con biopelículas, permitiría reducir la DBO5 del agua tratada a valores muy bajos, permitiendo el operar con flujos elevados en la etapa de filtración de membranas.

En este proceso se unirían por tanto las potencialidades de los tratamientos metanogénicos (producción de biogás, ahorro de energía para la depuración, baja producción de lodos), con las de los aeróbicos (elevada calidad del efluente depurado, obtención de flujos elevados con las membranas) y los derivados del uso de membranas de filtración (total retención de sólidos en suspensión, elevada calidad microbiológica y química del efluente depurado que facilita el reuso directo del agua tratada). Se contempla que el proceso a desarrollar pueda ser adecuado para el tratamiento de aguas residuales urbanas y/o industriales en dos escenarios totalmente diferentes:

i.- Zonas donde se desee realizar el reuso directo del agua depurada en agricultura, silvicultura, ajardinamientos, con lo cual se conseguiría un aprovechamiento del agua y los nutrientes presentes en la misma (nitrógeno y fósforo).

ii.- Localidades de tamaño pequeño y mediano, e incluso grandes aglomeraciones localizadas en zonas clasificadas como no sensibles o menos sensibles tal como contempla la legislación vigente, en las cuales no sea preciso la eliminación de nutrientes.

Uno de los objetivos adicionales del proyecto será la comparación de la tecnología propuesta con las tecnologías de reactores de lodos activos y biorreactores de membranas, ya que se postula que la tecnología propuesta en este proyecto podría ser una alternativa ambientalmente viable a las indicadas, que generaría menor consumo de energía primaria o producción de lodos, generando una disminución de emisiones de gases de efecto invernadero y mejorando la sostenibilidad de los procesos de depuración de aguas residuales. Para ello se utilizará una herramienta de gestión ambiental, el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), que permite la evaluación holística del impacto ambiental asociado a un producto o proceso. Mediante la identificación de los aspectos ambientales relevantes y la cuantificación del impacto potencial asociado, el ACV permitiría detectar las principales fortalezas y debilidades del proceso propuesto frente a las alternativas mencionadas.

Este proyecto busca encontrar una alternativa tecnológica económica y ambientalmente sostenible para la depuración de Agua Residual Urbana (ARU) en núcleos urbanos pequeños o grandes o aguas residuales industriales de baja carga, que permitan el obtener un agua depurada de alta calidad que pueda ser reutilizada, encuadrándose este proyecto dentro de las objetivos señalados en el proyecto Novedar-Consolider de Concepción de la EDAR del siglo XXI. Desarrollo, implementación y evaluación de tecnologías para el tratamiento y recuperación de recursos en aguas residuales dirigido por el profesor Juan M. Lema y en los que participan diversos grupos de investigación nacionales y de los Países Bajos, y por supuesto los miembros del equipo de investigación que presenta este proyecto. Web: http://www.novedar.com/en/documents.asp


Como alternativa al proceso convencional de lodos activos se propone el empleo de reactores biológicos de lodo granular acoplados a sistemas de membranas con el fin de lograr una alta eliminación de carbono y nitrógeno en aguas residuales urbanas e industriales y generar efluentes tratados aptos para su reutilización.

Estos reactores pueden operar con cargas más elevadas (plantas más compactas) debido al desarrollo de una biomasa, agregada en forma de gránulos, con buenas características de sedimentabilidad, lo que posibilita su fácil separación en el propio reactor, siendo posible sustituir los grandes y costosos decantadores secundarios por unidades de membrana externas mucho más pequeñas que permiten mejorar la calidad física, química y microbiológica del efluente y propiciar su reutilización.

En el presente proyecto se estudiarán inicialmente las condiciones hidrodinámicas más propicias para desarrollar los gránulos en condiciones aerobias, investigando posteriormente el efecto de la composición del agua residual sobre la formación del gránulo. El desarrollo y aplicación de sistemas granulares se hará tanto en aguas con una alta relación C/N, a las que se aplicará el proceso de nitrificación-desnitrificación, como en aguas con una baja relación C/N, a las que se aplicarán los procesos avanzados de nitrificación parcial y oxidación anaerobia de amonio (Anammox). Además se ensayarán distintas condiciones de operación con el fin de maximizar la eficacia de eliminación de materia orgánica y nitrógeno para cada tipo de agua residual. Durante la operación de los reactores se cuantificará y caracterizará el lodo granular producido para evaluar su facilidad de gestión posterior en la línea de fangos.

Los sistemas granulares producen unos efluentes de buena calidad, en términos de contenido en materia orgánica y nitrógeno, pero con concentraciones de sólidos en suspensión que en ocasiones no se ajustarían a los requerimientos más estrictos (menores de 35 mg SS/L), lo que justifica la utilización de sistemas de filtración de membranas como tratamiento complementario.

En los sistemas de membranas se evaluarán los mejores condiciones de operación ( tipo de membrana, ensuciamiento, protocolos de limpieza,...) así como la calidad fisico-química y microbiológica de los efluentes generados para evaluar la posible reutilización de los mismos para uso industrial, agrícola o de riego tomando como referencia las normas nacionales, comunitarias e internacionales vigentes.

Finalmente se diseñará y construirá una planta piloto compuesta por una unidad de granulación y un sistema de membranas externo incluyendo sistemas de control y adquisición de datos con el fin de obtener información que permita posteriormente la extrapolación de resultados a escala industrial.


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