Efeito das taxas de carga orgânica no desempenho do biorreator de membrana para comportamentos de tratamento de águas residuais, incrustações e custo econômico

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 15601 (2023) Citar este artigo

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Embora os biorreatores de membrana submersa (MBR) sejam amplamente utilizados no tratamento de águas residuais municipais e na recuperação de recursos potenciais, os parâmetros operacionais da membrana e o controle de incrustações da membrana permanecem questões debatidas. Neste estudo, o tratamento de águas residuais municipais por MBR em lodo com alto teor de biomassa (MLSS (g/L) variando de 5,4 g/L a 16,1 g/L) foi avaliado em taxas de carga orgânica (OLRs) variando de 0,86 a 3,7 kg DQO/m3d. A correlação entre a pressão transmembrana e a resistência total à incrustação foi minuciosamente investigada neste estudo. De acordo com os resultados, maiores OLRs de 0,86 a 3,7 kg DQO/m3d causaram uma diminuição na eficiência de remoção de DQO, DBO e NH4-N, e maiores OLRs de 3,7 kg DQO/m3d resultaram em um maior aumento na resistência total à incrustação (Rt ). O estudo económico da utilização do sistema MBR comprovou que, para um caudal projetado de 20 m3/d, o período de retorno da utilização das águas residuais tratadas será de 7,98 anos, o que confirma os benefícios económicos da utilização deste MBR para o tratamento de águas residuais municipais. Em geral, compreender os desafios enfrentados pela eficiência do MBR melhoraria o seu desempenho e, consequentemente, a sustentabilidade da recuperação de águas residuais.

O problema da escassez de água no Egipto levou um grande número de estudiosos a procurar soluções alternativas, a fim de retardar os efeitos catastróficos desta calamidade na vida das pessoas e na economia do país1,2. A utilização de águas residuais tratadas é uma das soluções possíveis. No entanto, existem numerosos problemas com isto, incluindo um aumento na complexidade e no efeito prejudicial das águas residuais geradas pelas indústrias e descarregadas no sistema de esgotos sem pré-tratamento, uma situação que originou políticas hídricas rigorosas. Usando métodos biológicos de tratamento de águas residuais, incluindo o método convencional de lodo ativado (CAS), a maioria desses desafios pode ser enfrentada. Independentemente disso, estes processos são caracterizados pela baixa seletividade para muitos contaminantes, como micróbios e alguns contaminantes orgânicos3,4. Muitos problemas com CAS podem ser resolvidos usando o biorreator de membrana (MBR), uma abordagem de tratamento alternativa com menor pegada, efluente de maior qualidade e menos geração de lodo. Conseqüentemente, os MBRs estão sendo empregados com mais frequência do que os processos CAS. Os principais fatores que causam a produção de água reciclada de alta qualidade pelos MBRs são a retenção quase completa de substâncias de alto peso molecular, bactérias e partículas suspensas por filtração por membrana. Assim, como última etapa do tratamento, separa sólidos de líquidos de forma muito mais eficaz do que o decantador secundário num processo CAS5.

No entanto, a filtração por membrana não pode ajudar tanto nas remoções de fósforo e nitrogênio, pois os processos biológicos são os principais responsáveis ​​pela redução de nutrientes (fósforo e nitrogênio). Na verdade, a aeração intensiva e os tempos prolongados de retenção de sólidos em um sistema MBR convencional podem tornar a remoção de nutrientes menos eficaz6,7. Ainda assim, as dificuldades com a incrustação da membrana durante o tratamento do lodo ativado atrasaram o desenvolvimento dos MBRs. Assim, estudos recentes sobre sistemas de tratamento de águas residuais domiciliares baseados em MBR concentraram-se em maneiras de gerenciar a incrustação de membranas8. Entre eles estão a modificação da superfície da membrana, o uso de alta velocidade de fluxo cruzado, a otimização das condições químicas ou operacionais e a limpeza hidrodinâmica9,10.

No entanto, vale a pena mencionar que o uso comercial predominante de MBRs é limitado devido à incrustação da membrana. Os fenómenos de incrustação na superfície da membrana e no interior dos poros diminuem a estabilidade do fluxo a longo prazo, exigindo a limpeza da membrana, o que aumenta o custo global. Além disso, se a limpeza for ineficaz na recuperação de fluxo suficiente, a substituição da membrana também é uma opção11,12. Devido à complexidade do fenômeno da incrustação de membranas, ainda é difícil para os cientistas que trabalham nesta área preverem o comportamento da incrustação13. Consequentemente, o aumento dos custos de manutenção devido à operação como resultado de incrustações é uma das desvantagens mais significativas do MBR, o que limita a sua ampla adoção14.