Um piloto

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 21653 (2016) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A recuperação de nutrientes e energia das águas residuais municipais tem atraído muita atenção nos últimos anos; no entanto, sua eficiência é significativamente limitada pelas propriedades de baixa resistência das águas residuais municipais. Aqui, relatamos um sistema de osmose direta (FO) em escala piloto usando um módulo de membrana em espiral para concentrar águas residuais municipais reais. No modo de solução de alimentação voltada para a camada ativa, o fator de concentração crítica (CCF) deste sistema FO foi determinado como 8 com NaCl 0,5 M como solução de extração. Durante a operação de longo prazo em um fator de concentração de 5, (99,8 ± 0,6)% da demanda química de oxigênio e (99,7 ± 0,5)% das taxas de rejeição total de fósforo podem ser alcançadas com um fluxo de 6 L/(m2 h) em média . Em comparação, foram observadas apenas (48,1 ± 10,5)% e (67,8 ± 7,3)% de rejeição de amônio e nitrogênio total. A polarização de concentração aumentada do bolo é um dos principais contribuintes para a diminuição dos fluxos de água. A incrustação também levou à ocorrência de um efeito de polarização da concentração reduzida da torta, melhorando a taxa de rejeição de amônio com o aumento do tempo de operação em cada ciclo. Este trabalho demonstra a aplicabilidade do uso do processo FO para concentração de águas residuais e também as limitações na recuperação de amônia que precisam ser melhoradas no futuro.

Atualmente, as águas residuais são cada vez mais consideradas uma fonte de água, nutrientes e energia, e não um resíduo1,2. Para a recuperação de nutrientes e energia de águas residuais domésticas/municipais, uma grande barreira é a natureza de baixa resistência das águas residuais, que afeta significativamente sua eficiência de recuperação e custo-benefício. Fornecer um concentrado com altas concentrações de demanda química de oxigênio (COD) e nutrientes (nitrogênio e fósforo) que atendem aos benefícios econômicos é a chave para a captura de energia a jusante (por exemplo, tratamento anaeróbico e células de combustível microbianas) e unidades de recuperação de nutrientes3 .

A separação por membrana é uma tecnologia promissora para fins de concentração. Biorreatores de membrana aeróbica (MBRs) com curto tempo de retenção hidráulica (HRT) e curto tempo de retenção de lodo (SRT) têm sido usados ​​para concentrar esgoto e águas cinzas por meio de mecanismos de biofloculação4,5. A principal desvantagem desse cenário é a incrustação severa da membrana e a biodegradação de COD in situ durante o processo de concentração (resultando em apenas cerca de 35% de COD recuperado)4. A separação dinâmica por membrana desenvolvida por Ma et al.6 demonstrou uma taxa de recuperação de DQO de 81,6% sob um alto fluxo de membrana de 60 L/(m2 h). A concentração direta de esgoto por membranas de microfiltração (MF) também foi relatada3, e concentração eficiente foi alcançada para COD, mas não para nitrogênio e fósforo. A nanofiltração (NF) e a osmose reversa (RO) também podem ser usadas para concentrar águas residuais municipais7,8; no entanto, as membranas NF e RO são sensíveis à incrustação por moléculas dissolvidas e não dissolvidas, material particulado, precipitados de sal e microorganismos9,10,11. Por esta razão, os sistemas NF e RO para tratamento de águas residuais requerem pré-tratamento para reduzir a incrustação da membrana, por exemplo, MF e ultrafiltração (UF) como etapas de pré-tratamento12.

A osmose direta (FO) é um processo de separação de membrana com uma membrana semipermeável colocada entre uma solução de alimentação (FS) de baixa pressão osmótica e uma solução de extração (DS) de alta pressão osmótica, e é impulsionado pela diferença de pressão osmótica através a membrana13. O processo FO apresenta menor propensão à incrustação em comparação com os processos tradicionais de membrana acionada por pressão, como NF e RO, e, portanto, tem atraído muita atenção nos últimos anos14,15,16,17. O uso de processos FO para tratamento de águas residuais domésticas/municipais de baixa resistência está aumentando constantemente, por exemplo, águas residuais domésticas sintéticas16 e efluentes de águas residuais de fontes municipais18,19 e águas residuais municipais20,21. Os estudos acima mencionados estabelecem as bases para a compreensão dos comportamentos dos sistemas FO para concentração de águas residuais; no entanto, ainda é insuficiente para estabelecer uma regra geral para esses sistemas, uma vez que a maioria dos estudos usa sistemas FO em escala de laboratório no modo de filtração em batelada e a duração experimental dura de várias horas a vários dias18,19,20,21. Uma investigação de longo prazo de sistemas FO sob operação de fluxo contínuo para concentrar águas residuais domésticas/municipais de baixa intensidade é necessária para impulsionar as aplicações dessa tecnologia para o tratamento real de águas residuais.