Rodríguez-Sáez, L. (2024) Implementation of Recycled Ultrafiltration Membranes in Membrane Bioreactor (MBR) for Wastewater Treatment. PhD thesis, Universidad de Alcalá.
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Abstract
a escasez de agua potable y la falta de acceso a un sistema de saneamiento adecuado es un problema instalado a nivel global que, además, se ha visto agravado en las últimas décadas debido al exponencial aumento de la población mundial y, por supuesto, al cambio climático. Así mismo, la contaminación de las masas de agua es un problema añadido que, paralelamente, se ha ido agravando a pesar del incremento y mejora en los esfuerzos para la conservación del medio ambiente y, por ende, del agua. Esta situación, ha hecho necesario la implantación de normativa y el desarrollo de tecnología específica que ayuden a mitigar este escenario. Muchos tratamientos convencionales se han desarrollado a lo largo de los años con bastante éxito para atajar estas situaciones. Uno de los sistemas más exitoso y, por tanto, más empleado en el tratamiento de agua ha sido la tecnología de membranas. Aunque, a priori, pueden ser sistemas más caros de implementar que otros sistemas, las membranas poseen gran versatilidad en cuanto a sus aplicaciones además de proporcionar una alta calidad de agua tratada. En concreto, la desalación de agua de mar mediante el uso de membranas de ósmosis inversa (OI) produjo una revolución en el acceso al agua potable. Otro sistema destacable de tratamiento de agua residual, tanto residual como industrial basado en membranas serían los sistemas de biorreactor de membranas (BRM) que presentan importantes ventajas frente a los tratamientos convencionales. Sin embargo, como cualquier proceso científico y tecnológico, estos tratamientos también presentan algunas desventajas. En concreto, debido al ensuciamiento y deterioro de las membranas usadas en estos procesos a lo largo del tiempo, estas deben ser sustituidas aumentando así los costes de operación. No solo eso, sino que, además, estas membranas debido a su composición plástica y a la complejidad de su estructura son difíciles de reciclar y, normalmente, acaban siendo depositadas en vertederos o siendo incineradas aumentando la generación de residuos y produciendo contaminación en el medio ambiente. Además, esta forma de gestión de las membranas desechadas choca frontalmente con los principios establecidos tanto por la normativa de la Unión Europea como con los propios principios de la Economía Circular en los que se basa. Debido a esta situación, muchos de los estudios científicos en los últimos tiempos en el campo de la tecnología de membranas se han centrado en la mitigación la tasa de reposición de las membranas mediante distintos mecanismos. La presente tesis doctoral se centra en el uso de membranas recicladas de ultrafiltración (r-UF) obtenidas a partir de membranas desechadas de OI, que se usaron previamente para desalar agua de mar o tratar agua contaminada, mediante el reciclaje indirecto de las mismas. De esta forma se les da una nueva vida útil, en este caso como membranas de ultrafiltración en otro tipo de sistemas concretamente en BRM. Se propone así, siguiendo los principios de la Economía Circular, obtener membranas recicladas que sean medioambientalmente sostenibles a la vez que se reduce también el nivel de inversión económica, consumo de materias primas y de energía que requeriría la producción de nuevas membranas. Todo ello, lleva aparejado una reducción de emisiones de gases de efecto invernadero asociadas tanto a la fabricación como al transporte y almacenaje de las membranas nuevas como la generación de membranas desechadas que se convierten en un residuo que, normalmente, acaba en vertedero o siendo incinerado. Para ello, lo primero que se realizó fue una prueba de concepto para averiguar si estas membranas podían ser sometidas a las condiciones de trabajo de un BRM. Se comparó su funcionamiento con una membrana de microfiltración (MF) en términos de calidad de permeado, permeabilidad y ensuciamiento obteniendo resultados prometedores comparables a los obtenidos con la membrana comercial. De esta forma se determinó que estas membranas recicladas eran aptas para ser usadas en un BRM. A continuación, se realizó una modificación de la superficie de las membranas recicladas a nivel laboratorio. Se buscaba una modificación que mejorase la resistencia de la membrana reciclada al ensuciamiento y alargar así la vida útil de estas membranas. En esta experimentación además se realizó un diseño estadístico experimental para analizar no solo los factores de la modificación y las respuestas estudiadas, en este caso permeabilidad y recuperación del ensuciamiento, sino la relación entre los factores de la modificación. Se observó que, en efecto, la interacción entre los factores afectaba a la modificación y por tanto a las respuestas estudiadas. Así mismo, se determinaron las condiciones para una modificación óptima. Por último, se realizó la validación de las membranas recicladas mediante una experimentación más larga en un BRM. Se estudió el comportamiento de la membrana reciclada y la membrana reciclada modificada usando las condiciones de modificación óptimas encontradas en la experimentación anterior. Así mismo, se estudiaron dos membranas comerciales de UF con similares características a las membranas recicladas para poder comparar el rendimiento en condiciones de trabajo similares. Los resultados alcanzados fueron muy alentadores ya que la membrana reciclada y la membrana modificada se comportaron de forma muy similar a las membranas comerciales respecto a la calidad de agua obtenida. Además, la membrana reciclada, sin necesidad de modificación, mostró un comportamiento excelente, especialmente a nivel de ensuciamiento. Se realizó también una extensiva caracterización de las membranas donde se observó que efectivamente la membrana reciclada no presentaba bacterias adheridas en superficie. Adicionalmente, esta membrana presentaba niveles de cloro en su superficie más altos de que el resto de las membranas estudiadas con lo que se concluyó que las características adquiridas por esta membrana a lo largo del proceso de reciclaje le conferían una intrínseca resistencia al ensuciamiento, haciéndola óptima para trabajar en este tipo de ambientes. En conclusión, la presente tesis doctoral muestra una innovadora metodología que permite el reciclaje indirecto de las membranas de OI al final de su vida útil para su uso como membranas de UF en BRM demostrando la viabilidad técnica de las membranas obtenidas para este tipo de sistemas. Así mismo, este trabajo de investigación pretende así contribuir a mitigar el problema de la generación de residuos y los costes de operación relacionados con el tratamiento de agua siguiendo las directrices de la Economía Circular.
| Item Type: | Thesis (PhD) |
|---|---|
| Additional Information: | Autor/a Rodríguez Sáez, Laura Departamento Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química Director/a Landaburu Aguirre, Junkal Codirector/a Molina Martínez, Serena Fecha de defensa 04-12-2024 Calificación Sobresaliente cum laude Programa Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) Mención internacional No |
| Subjects: | T Technology > TD Environmental technology. Sanitary engineering |
| Depositing User: | José Ángel Gómez Martín |
| Date Deposited: | 30 Jan 2025 15:28 |
| Last Modified: | 30 Jan 2025 15:28 |
| URI: | http://eprints.imdea-agua.org:13000/id/eprint/1703 |
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