Incrustação das membranas

Um dos grandes obstáculos que limita a maior aplicação das membranas no tratamento de esgotos refere-se à perda de fluxo de permeado ou o aumento da pressão transmembrana durante o processo de filtração (KWON et al. 2000). Isto se deve ao desenvolvimento de incrustações sobre a membrana, que limita à passagem do permeado pelos poros da mesma, conforme ilustrado na Figura 2.9.

Devido ao seu impacto econômico frente à operação do reator, as pesquisas acerca do tema incrustação em BRM tem se tornado cada vez mais frequente, representando 31% de todas as publicações sobre a tecnologia de biorreatores à membrana (SANTOS, MA e JUDD, 2011).

O processo de colmatação se inicia com a formação de biofilme sobre a membrana, a partir da fixação de microcolônias de bactérias. Uma vez aderido à superfície da membrana, esse biofilme, também conhecido como ―cake‖ ou torta, força o sistema a requerer um aumento da PTM com vistas a superar essa barreira e manter o fluxo de permeado constante. Tal condição acaba atraindo mais biomassa à sua superfície e culminando na formação de mais biofilme.

Figura 2. 9 Representação do processo de colmatação

As incrustações podem ser classificadas em duas categorias, de acordo com sua natureza: reversível e irreversível. Tradicionalmente, o termo incrustação reversível refere-se à incrustação que pode ser removida por meios físicos, tais como a retrolavagem ou o relaxamento da filtração, enquanto a incrustação irreversível refere-se a aquela incrustação que só pode ser removida por limpeza química (JUDD, 2007).

Conforme ilustra a Figura 2.10, a incrustação em BRM pode ser associada ao entupimento dos poros da membrana e/ou a deposição de lodo em sua superfície, que é geralmente o componente predominante desse processo (LEE et al., 2001). A dinâmica destas incrustações se dá através dos seguintes mecanismos: (1) adsorção de solutos ou coloides nos poros da membrana; (2) deposição de flocos de lodo em sua superfície; (3) formação da ―torta‖ sobre a membrana e (4) desprendimento parcial do biofilme fracamente aderido às fibras,

Fluxo do permeado

Membrana limpa Membrana colmatada

Biofilme (torta) Obstrução dos poros

atribuído principalmente as forças de cisalhamento (MENG et al., 2009).

Figura 2. 10 - Colmatação das membranas em BRM: (a) bloqueio dos poros e (b) formação da torta (MENG et al., 2009).

De acordo com Chang et al. (2002), o processo de colmatação das membranas pode ser afetado por uma serie de fatores, dentre os quais estes autores destacam as características da membrana; características do esgoto, e por consequência da biomassa e as condições operacionais. A partir do conjunto desses três fatores principais, diversos parâmetros específicos são apontados pela literatura como interferentes no processo de colmatação, conforme ilustrado na Figura 2.11.

Figura 2. 11 Fatores que afetam a coltamação das membranas (CHANG, et al., 2002) Lodo Colóides Solutos (a) (b) Fatores Biomassa Tamanho do floco Matéria dissolvida Estrutura do floco EPS/SMP SST PTM TDH θc Aeração Configuração Condições operacionais Membrana Configuração Material Hidrofobicidade Porosidade Tamanho de poro

Percebe-se que o desenvolvimento das incrustações está sujeito a inúmeras variáveis, que muitas vezes conduzem a efeitos subsequentes, dificultando o entendimento do mecanismo de colmatação com maior clareza. Contudo, dentre as variáveis apontadas, tem se verificado na literatura que os EPS e SMP são muitas vezes determinantes no desenvolvimento das incrustações (DREWS, 2010).

De modo geral, os EPS e SMP consistem de uma mistura complexa de proteínas, carboidratos, polissacarídeos, DNA, lipídeos e substâncias húmicas que são constituintes da matriz de flocos e de biofilmes (BITTON, 2005). Tais compostos são associados ao desenvolvimento das incrustações devido aos efeitos de adsorção e bloqueio de poros, servindo também como base para a fixação de biofilme, levando a formação da torta.

Cho et al. (2005) verificaram que a resistência específica da torta à filtração tornou-se maior com o aumento da concentração de EPS. A partir dos resultados observados, os autores propuseram uma relação sigmóidal entre a concentração do EPS e a resistência específica da torta. Da mesma maneira, Nagoka et al. (1996) e Nuengjamnong et al (2005) verificaram que o aumento da concentração de EPS resultou em aumento da taxa de incrustação das membranas.

Dentre as propriedades da membrana, destacam-se o tamanho de poro, a porosidade, a hidrofobicidade e o material de fabricação como sendo as principais características que podem influenciar no desenvolvimento de incrustações (LE-CLECH et al., 2006). Para Zhang et al. (2006) a hidrofobicidade do material que compõe a membrana pode ter implicações direta nesse fenômeno. Isto se deve, de acordo com Fane e Chang (2002) ao fato de que solutos, coloides e microrganismos interagem preferencialmente com membranas mais hidrofóbicas, acarretando assim uma deposição mais severa destes componentes à parede da membrana com tal característica.

A composição do esgoto a ser tratado irá determinar as características da biomassa dentro do reator, como a viscosidade, a concentração de EPS/SMP, teor de sólidos e substancias coloidais. Tais parâmetros podem interagir com as membranas de diferentes maneiras, sendo muitas vezes utilizados produtos químicos, coagulantes ou carvão ativado, por exemplo, na tentativa de controlá-los e minimizar as incrustações (Zhang et al., 2006).

Quanto à hidrodinâmica do reator, Shimazu et al. (1996) comentam que o fluxo de ar gerado pelos aeradores produz um gradiente

de velocidades dentro do reator, que atua sobre as membranas removendo as partículas depositadas em sua superfície. A eficiência desse processo depende de fatores como velocidade das bolhas de ar, fluxo de permeação utilizado e concentração de sólidos da suspensão biológica. Diminuindo o teor de sólidos e o fluxo de permeação ou aumentando a taxa de aeração da massa líquida, espera-se que ocorra uma menor deposição de partículas sobre as paredes da membrana (LIU et al., 2003).