Effects of biomass concentration and transmembrane pressure in the filtration with hollow fiber membranes in bioreactors

O uso de membranas filtrantes para o tratamento de efluentes tem sido crescente nas últimas décadas, com o foco na otimização destes sistemas, que ocupam menos espaço físico e atendem aos critérios de qualidade ambiental cada vez mais rigorosos. Processos convencionais de tratamento por lodos ativados, têm sido substituídos por sistemas com módulos de membranas submersas, denominados de Biorreatores Associados à Membranas, ou MBR – Membrane Bioreactor. Os problemas com esta condição de uso das membranas relacionam-se à redução do fluxo de permeado (J20) devido ao aumento da resistência total (Rt) ao longo do tempo de filtração, associados à formação de distintos mecanismos de bloqueio devido à colmatação de biossólidos junto as membranas, processo denominado genericamente de fouling. Neste trabalho é analisado o comportamento da filtração de três lodos ativos oriundos de fontes distintas: indústria petroquímica, hospitalar e lixiviado de aterro sanitário. A diversidade da composição destes efluentes contribui para a análise do comportamento da queda do J20 e do aumento da Rt ao longo de ensaios de filtração, que foram realizados com quatro horas de duração. Para cada lodo foram ensaiadas três concentrações de Sólidos Suspensos Totais (SST): 8.000, 17.000 e 23.000 mg/L, bem como três pressões transmembranas (PTM): 180, 240 e 300 mbar. Os lodos foram caracterizados, determinando-se: viscosidade, massa específica, características físicas dos biossólidos (diâmetros médios e efetivos, coeficientes de uniformidade e de curvatura), além da quantificação da concentração das frações de EPS (Substâncias Poliméricas Extracelulares). Os ensaios em bancada foram realizados com módulos de membranas de fibras ocas submersas, confeccionados de forma a garantir sua uniformidade. Os procedimentos também foram realizados de forma padronizada, incluindo-se a promoção de turbulência através de aeração forçada. Os resultados permitiram a análise do comportamento da queda do J20 e do aumento da Rt, comparando-se estas relações com as variações das concentrações de SST e da PTM para cada lodo ensaiado, e também permitiram uma análise das relações entre os distintos lodos. Ainda foram analisados os valores do Índice Modificado de Fouling – IMF e dos mecanismos de bloqueio que ocorreram durante as filtrações para cada efluente. Os resultados indicam que tanto a variação da concentração de SST quanto da PTM, não implicam em diferenças significativas nos valores absolutos do J20, mas em valores bem distintos para a Rt final. Dessa forma, conclui-se que o aumento da PTM, com o objetivo de aumentar o J20 em um sistema real, não teria efetividade e decorreria no aumento do custo energético do sistema devido ao aumento da Rt. Os resultados para IMF, com objetivo buscar correlações com as variações da concentração de SST e da PTM, não apresentaram resultados que caracterizem o uso deste indicador para este tipo de filtração. Ainda foi possível estabelecer correlações entre a queda do J20 e as concentrações de EPS, além da viscosidade e massa específica. Foram identificados os mecanismos de bloqueio preponderante, concluindo-se que a filtração por torta prevalece na maioria dos ensaios.The use of membranes processes for wastewater treatment has increased in recent decades, with focus on optimizing these systems, requiring less physical space and meeting increasingly stringent environmental quality criteria. Conventional treatment processes using activated sludge units, have been replaced by systems with submerged membrane modules, called Membrane Bioreactor - MBR. The problems with the use of the membranes in these conditions are related to the reduction of the permeate flow (J20) and the increase in the total resistance (Rt) along the running time of the filtration, associated with different block mechanisms, due to fouling of the membranes with biosolids. This study analyzes the filtration behavior of three activated sludges coming from different sources: the petrochemical industry, hospital and landfill leachate. The diversity of the composition of these effluents allowed the analysis the declining behavior of J20 and the increasing behavior of Rt throughout the filtration tests, conducted with four hours duration time. For each sludge three concentrations of Total Suspended Solids (TSS) were tested: 8,000, 17,000 and 23,000 mg / L, as well as three transmembrane pressures (TMP): 180, 240 and 300 mbar. The sludge were characterized by determining viscosity, density, physical characteristics of biosolids (average and effective diameters, coefficients of uniformity and curvature), and the quantification of the EPS fractions concentration (Extracellular Polymeric Substances). The bench tests were performed with hollow fiber submerged membrane modules, manufactured in order to ensure uniformity. The procedures were performed in a standardized way, including the promotion of turbulence through forced aeration. The results allowed the analysis of the permeate flux decline behavior and the increasing of the total resistance, comparing these ratios to the variations in the concentrations of TSS and TMP for each sludge tested and also allowed the analysis of relations between the distinct sludges. Values of the Modified Fouling Index - MFI and blocking mechanisms that occurred during the filtrations for each sludge were also analyzed. The results indicate that both the variation of the TSS concentration and the TMP do not lead to significant differences in J20 values, but do generate distinct final Rt values. Thus, one possible conclusion is that increasing TMP, with the objective of increasing J20 in a real system is not an effective action and would result in the increase of energy costs, due to the increase of Rt. No correlation could be established between the MFI results and the parameters TSS and TMP. However, it was possible to establish correlations between the fall of J20 and the concentrations of EPS, as well as viscosity and density. Predominant blocking mechanisms were identified, allowing the conclusion that cake filtration prevails in most testing situations