Aplicación de la ósmosis directa en procesos de separación y concentración de fangos de depuración

Abstract

ABSTRACT:

Title: "FORWARD OSMOSIS APPLIED IN PROCESSES OF SEPARATION AND CONCENTRATION OF WASTEWATER TREATMENT SLUDGE"

Forward osmosis is a membrane technique that allows the concentration of solutions or dilution of other solutions, simultaneously. As this technique has the advantage of working without applying pressure (the driving force is the osmotic pressure difference between both sides of the membrane) and also new membranes that works at higher flux are been developing, nowadays researchers are looking for new applications for forward osmosis.

On the other hand, the management of wastewater sludge from municipal wastewater treatment plants could represent environmental risk as well as a great economic impact, as the cost of this sludge treatment is estimated at 60% of the total cost of wastewater treatment. This doctoral thesis has taken into account effluents of the sludge treatment and the activated sludge itself in order to be concentrated/separated by forward osmosis.

In this doctoral thesis, tests have been performed in a lab-scale forward osmosis pilot plant in order to evaluate the feasibility of applying forward osmosis to the concentration of secondary sludge as well as nutrient concentration of digester centrate. To accomplish this, several wastewaters have been tested as draw solutions: fermentation brine from table olive processing, hide salting wastewater, brine from seawater desalination by reverse osmosis, and ammonium sulfate from ammonia absorption with sulfuric acid.

On the other side, osmotic membrane bioreactors are being tested as an alternative to conventional membrane bioreactor that use ultra or microfiltration in torder to separate the biomass from the purified waster. Thus, in this doctoral thesis tests have been performed in a lab-scale osmotic membrane bioreactor in order to treat municipal wastewater.

In the tests, two types of commercial available membranes (HTI CTA NW and HTI CTA ES) and other membranes still in development stage (Aquaporin In-side).

The results show that: 1) "Aquaporin Inside" membrane is the most suitable membrane for nutrient concentration of digester centrate in terms of reverse salt flux and permeate of water flux. 2) HTI CTA ES membrane is fouled in a greater extent than HTI CTA NW membrane when digester centrate is used as feed solution. 3) Hide salting wastewater fouls the membrane to a greater extent than fermentation brine of table olives. 4) When used as draw solution, ammonia sulfate wastewater produces more water flux than brine from reverse osmosis desalination. 5) The volume of the activated sludge was reduced by a factor of 4.32. 6) Osmotic membrane bioreactor could achieve high COD removal efficiencies (70-100%) attaining the aimed wastewater purification.

RESUMEN:

Título: "APLICACIÓN DE LA ÓSMOSIS DIRECTA EN PROCESOS DE SEPARACIÓN Y CONCENTRACIÓN DE FANGOS DE DEPURACIÓN"

La ósmosis directa es una técnica de membrana que permite concentrar unas disoluciones o diluir otras y que, además, permite hacerlo simultáneamente. Dado que esta técnica presenta las ventajas de operar sin necesidad de aplicar presión (la fuerza impulsora es la diferencia de presión osmótica entre ambos lados de la membrana) y se están desarrollando nuevas membranas que permiten operar a una mayor densidad de flujo de permeado, actualmente se están buscando nuevas aplicaciones para esta técnica, es decir, se están considerando nuevas disoluciones de alimento que concentrar y nuevas disoluciones de arrastre que diluir.

Por otra parte, la gestión de fangos de depuración procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas supone un reto medioambiental así como un gran impacto económico, pues se considera que el 60% del coste total de tratamiento de aguas residuales se corresponde con la gestión de estos fangos. En la presente Tesis Doctoral se han tenido en consideración corrientes de la línea de fangos o el fango activo en sí para su concentración/separación mediante ósmosis directa.

En la presente Tesis Doctoral se han realizado ensayos con una planta de ósmosis directa a escala de laboratorio para evaluar la viabilidad de la aplicación de la ósmosis directa a la concentración de fangos secundarios y también a la concentración de nutrientes en el escurrido de centrífuga. Para ello se han utilizado como disoluciones de arrastre varias corrientes residuales industriales reales: salmuera de fermentación del procesado de la oliva de mesa, residuo de conservación de pieles no curtidas, salmuera procedente de un proceso de desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa y un residuo con sulfato amónico procedente de un proceso de absorción de amoniaco con ácido sulfúrico.

Por otro lado, los biorreactores osmóticos de membrana se están probando como alternativa en determinadas aplicaciones de depuración a los biorreactores de membrana tradicionales existentes en depuradoras de aguas residuales urbanas, los cuales utilizan ultrafiltración o la microfiltración para separar la biomasa del agua depurada. Por ello, en la presente Tesis Doctoral también se ha experimentado con un biorreactor osmótico de membrana, a escala de laboratorio, con el fin de depurar agua residual urbana.

En los ensayos se ha utilizado dos membranas de ósmosis directa existentes en el mercado (HTI CTA NW y HTI CTA ES) y otra aún en fase de desarrollo (Aquaporin Inside).

Los resultados obtenidos indican: 1) Que a la vista de la caracterización de las membranas, la membrana tipo "Aquaporin Inside" es la más adecuada de las tres ensayadas para la concentración de nutrientes en el escurrido de centrífuga teniendo en cuenta su bajo paso inverso de sales y la densidad de flujo de permeado que produce. 2) Que la membrana tipo HTI CTA ES se ensucia más que la HTI CTA NW cuando se utiliza escurrido de centrífuga como disolución de alimento. 3) Que el residuo de conservación de pieles no curtidas provoca más ensuciamiento sobre la membrana que la salmuera de fermentación del procesado de la oliva. 4) Que, como disolución de arrastre, el residuo de sulfato amónico produce una densidad de flujo de permeado similar a la de la salmuera de rechazo de proceso de ósmosis inversa, a pesar de la mayor conductividad eléctrica del primero. 5) Que el volumen del fango secundario se consiguió reducir en un factor de 4.32 veces. 6) Que el biorreactor osmótico alcanzó rendimientos de eliminación de DQO elevados (70-100%) logrando así la correcta depuración del agua residual.

RESUM:

Títol: "APLICACIÓ DE L'OSMOSI DIRECTA A PROCESSOS DE SEPARACIÓ I CONCENTRACIÓ DE FANGS DE DEPURACIÓ"

L'osmosi directa és una tècnica que permet concentrar unes dissolucions o diluir-ne unes altres i que, a més, permet fer-ho simultàniament. Atès que aquesta tècnica presenta l'avantatge d'operar sense necessitat d'aplicar pressió (la força impulsora és la diferència de pressió osmòtica entre ambdós costats de la membrana) i s'estan desenvolupant noves membranes que permeten operar a una major densitat de flux de permeat, actualment s'estan cercant noves aplicacions per a aquesta tècnica, es a dir, s'hi estan considerant noves dissolucions d'aliment per concentrar i noves dissolucions d'arrossegament que diluir.

Per altra part, la gestió de fangs de depuració procedents d'estacions depuradores d'aigües residuals urbanes suposa un repte mediambiental així com un gran impacte econòmic, ja que es considera que el 60% del cost total del trac-tament d'aigües residuals es correspon amb la gestió d'aquests fangs. En la present Tesi Doctoral s'han tingut en compte corrents de la línia de fangs o el fang actiu en sí per a la seua concentració/separació mitjançant osmosi directa.

En la present Tesi Doctoral s'han fet assajos amb una planta d'osmosi directa a escala laboratori per a avaluar la viabilitat de la aplicació de l'osmosi directa a la concentració de fangs secundaris i també a la concentració de nutrients en l'escorreguda de la centrífugació. Per això s'han utilitzat com a dissolucions d'arrossegament diversos corrents residuals industrials reals: salmorra de la fermentació del processament de l'oliva de taula, residu de conservació de pells no adobades, salmorra procedent d'un procés de dessalatge d'aigua de mar mitjançant osmosi inversa i un residu amb sulfat amònic procedent d'un procés d'absorció d'amoníac amb àcid sulfúric.

Per altra part, els bioreactors osmòtics de membrana s'estan provant com alternativa en determinades aplicacions de depuració als bioreactors de membrana tradicionals existents en depuradores d'aigües residuals urbanes, les quals utilitzen ultrafiltració o la microfiltració per a separar la biomassa de l'aigua depurada. Per tant, en la present Tesis Doctoral també s'ha experimentat amb un bioreactor osmòtic de membrana, a escala de laboratori, amb la finalitat de depurar l'aigua residual urbana.

Als assajos han emprat dues membranes d'osmosi directa existents en el mercat (HTI CTA NW y HTI CTA ES) i una altra en fase de desenvolupament (Aquaporin Inside).

Els resultats obtinguts indiquen que: 1) En vista de la caracterització de les membranes, la membrana tipus "Aquaporin Inside" és la més adequada de les tres assajades per la concentració de nutrients en l'escorreguda de la centrífugació tenint en compte el baix pas invers de sals i la densitat de flux de permeat que produeix. 2) La membrana tipus "HTI CTA ES" s'embruta més que la "HTI CTA NW" quan s'utilitza escorreguda de centrífugació com a dissolució d'aliment. 3) El residu de conservació de pells no adobades produeix més embrutiment sobre la membrana que la salmorra de fermentació del processament de l'oliva. 4) Com a dissolució d'arrossegament, el residu de sulfat amònic produeix una densitat de flux de permeat similar a la salmorra de rebuig de procés d'osmosi inversa, a pesar de la major conductivitat elèctrica del primer. 5) El volum de fang secundari es va aconseguir reduir en un factor de 4.32 voltes. 6) El biorreactor osmòtic va assolir rendiments d'eliminació de DQO elevats (70-100%) i va aconseguir la correcta depuració de l'aigua residual.