Biotecnología. y ambiente Tratamiento de efluentes

Transcripción

1 Biotecnología y ambiente Tratamiento de efluentes

2 Biotecnología ambiental vs.. industrial Variable Objetivos Bases Biomasa Tipo de proceso Sustrato Optimización Biotec ambiental Minimización de nutrientes Catabolismo Mezcla (consorcios) Continuo Mezcla (residuos) Selección ecológica Biotec industrial Maximización productividad Anabolismo Cepas específicas Batch Puros y bien definidos Ingeniería genética

3 Ecología microbiana 1) Estructura de la comunidad 2) Potencial fenotípico 3) Función de la comunidad 4) Interrelaciones entre los miembros de la comunidad (organización espacial e intercambio de materiales) y de los microorganismos con el ambiente

4 Concepto general sustrato Compuesto orgánico (contaminante) aceptor de electrones Oxígeno Nitrato Sulfato otros nutrientes Nitrógeno fósforo metales (trazas) CELULA Sistemas enzimáticos transformación Compuesto modificado pero no completamente eliminado mineralización Contaminante destruído formación de CO 2 + H 2 O

5 Triángulo de la biodegradación Cond ambient ph Redox Temperatura Humedad Nutrientes BIODEGRADACION Compuesto Estructura propiedades Microorganismos

6 Que hay que eliminar de los efluentes? Compuestos orgánicos que consumen oxígeno - degradan el cuerpo receptor - interfieren con el balance de la vida acuática Compuestos tóxicos Organismos patógenos - afectan la salud humana

7 Que hay que eliminar de los efluentes? Compuestos orgánicos que consumen oxígeno - degradan el cuerpo receptor - interfieren con el balance de la vida acuática Compuestos tóxicos Organismos patógenos - afectan la salud humana

8 Eliminación de compuestos que consumen oxígeno Compuestos orgánicos que consumen oxígeno - degradan el cuerpo receptor - interfieren con el balance de la vida acuática

9 Los tratamientos biológicos se basan en la capacidad de autodepuración Aumenta DBO baja conc OD

10 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) La cantidad de oxígeno disuelto requerida por microorganismos para estabilizar la materia orgánica Ensayo estandarizado para medir el grado de contaminación

11 Demanda Química de Oxígeno (DQO) La materia orgánica se degrada químicamente utilizando un oxidante fuerte Otro ensayo estandarizado para medir el grado de contaminación

12 Catabolismo oxidativo Semireacción: e - + H + 1/4 O2 1/2 H2O Oxidación de materia orgánica: C x H y O z + 1/4 (4x+y-2z) O2 x CO2+ y/2 H2O

13 El problema está en la deficiencia de oxígeno

14 Lagunas facultativas De donde viene el oxígeno? oxígeno viento algas efluente crudo Sólidos sedimentables oxígeno CO 2, NH 3, P bacterias anaeróbico oxígeno El oxígeno es producido por algas fotosintéticas e introducido por aireación de la superficie El oxígeno es subsecuentemente utilizado por bacterias aeróbicas para estabilizar (oxidar) la materia orgánica

15 Lagunas aireadas De donde viene el oxígeno? El oxígeno se introduce con aireación mecánica

16 Lagunas aeróbicas El oxígeno se introduce con aireadores

17 Análisis de una laguna aeróbica Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l Tiempo de aireación del efluente = tiempo de crecimiento de microrganismos Tiempo de retención hidráulico (τ) = tiempo de retención celular (θ)

18 Barros activados: : el mismo principio, más compacto Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l 1. Mantener los sólidos (bacterias) en suspensión 2. Separar los sólidos (bacterias) del efluente tratado 3. Recircular los sólidos

19 Proceso de barros activados: retención de biomasa Cámara de aireación Sedimentador Digestor Recirculación Purga Leon

20 Proceso de barros activados Cámaras de aireación Digestor Sedimentador

21 Proceso de barros activados

22 Proceso de barros activados Q ingreso Q ing = Q egreso V a, X a, Q recirculación, X r V s Q purga, X p Q egreso HRT = V a Q ing SRT! V a ix a V p ix p Se basa en la separación de los tiempos de retención hidráulico (HRT) del tiempo de retencíon celular (SRT)

23 Microbiología de barros activados

24 Las plantas de tratamiento reducen la DBO

25 Qué é queremos conocer de la comunidad bacteriana en plantas de tratamiento? Composición de microorganismos y su influencia en el funcionamiento del ecosistema? Activated sludge floc (CSLM) Full scale industrial WWTP

26 Dynamic nature of activated sludge was La estructura de las comunidades demonstrated with DGGE bacterianas es dinámica Wang et al.., 2010 J Appl Microbiol doi: /j x

27 Qué é queremos conocer de la comunidad bacteriana en plantas de tratamiento? Factores que regulan la estructura de la comunidad a lo largo de la escala temporal y sus consecuencias para el funcionamiento del ecosistema Activated sludge floc (CSLM) Full scale industrial WWTP

28 Eliminación de P y N

29 Ciclo del nitrógeno N 2 NO 2 - NO 3 -

30 Nitrato como aceptor de electrones Semireacción: e - + 6/5 H + + 1/5 NO 3-1/10 N 2 + 3/5 H2O

31 Proceso se nitrificación- desnitrificación MLE MLR (NO 3- ) AFLUENTE (NH 4+ ) EFLUENTE ANOXICO AEROBICO RAS

32 Microbiología de la nitrificación Azul: Nitrosospira spp. NH 4 + NO 2 - Rojo: Nitrospira NO 2 - NO 3 - Schramm et al., Identification and Activities In Situ of Nitrosospira and Nitrospira spp. as Dominant Populations in a Nitrifying Fluidized Bed Reactor (1998) Applied and Environmental Microbiology, 64:

33 Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) La acumulación de P no es luxury uptake Es una reserva de energía PPi se trata posiblemente de una forma primitiva de mantener enlaces de alta energía (anterior al ATP) TOC liberacion Pi PO 4 -P Acumulación PHA PHA } ΔPi ANAEROBICO AEROBICO

34 Enhanced Biological P Removal (EBPR) P ingreso 5 mg.l -1 Anaerobico liberación de P Anoxico y/o aerobico P uptake barro excedente P (anaerób) 15 mg.l -1 P (aerób) < 1 mg.l -1 - PHB - poli P

35 Enhanced Biological P Removal (EBPR) P es retenido por PAO y se elimina del sistema en con el barro excedente ANAEROBICO AFLUENTE EFLUENTE ANOXICO AEROBICO WAS (con exceso de P)

36 Polyphosphate accumulating organisms (PAO) EUBmix (green) and the rod-apao probe Actino- 658 (red) Bright-field MAR image showing that most coccus-apao (shown with squares) and a few RPAO (shown with ellipses) seen in panel C take up 33 P i aerobically after an anaerobic preincubation with casaminoacids. The coccus-apao (yellow) take up labeled oleic acid anaerobically. Kong et al., Identity and Ecophysiology of Uncultured Actinobacterial Polyphosphate-Accumulating Organisms in Full-Scale Enhanced Biological Phosphorus Removal Plant. Appl. Environ. Microbiol. (2005) 71:

37 Glycogen accumulating organisms (GAO) glucogeno PHA propionato Meyer et al., Putative glycogen-accumulating organisms belonging to the Alphaproteobacteria identified through rrna-based stable isotope probing Microbiology (2006)152:

38 Anammox

39 Oxidación anaeróbica de amonio N 2 NH 4 + anammox NO 2 - NO 3 -

40 Oxidación anaeróbica de amonio Z Allg Mikrobiol. 1977;17(6): Mulder A, Van de Graaf AA, Robertson LA& Kuenen JG (1995) Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor. FEMS Microbiol. Ecol. 16:

41 Oxidación anaeróbica de amonio

42 Annamox: aplicaciones biotecnológicas

43 Annamox: aplicaciones biotecnológicas 2NH O 2 = NH NO H 2 O + 2H + NH NO 2 - = N 2 + 2H 2 O 2NH O 2 = N 2 + 3H 2 O + 2H +

44 Annamox: aplicaciones biotecnológicas 100% ahorro de fuente de C (e.g. metanol) 50% ahorro de oxígeno 90% reducción de costos operativos > 100% de disminución de emisión de CO 2

45 Annamox: aplicaciones biotecnológicas 500 kg N/d

46 Oxidación anaeróbica de amonio

47 Oxidación anaeróbica de amonio

48 Anammox: : pathway metabólico Involvement of a novel hydroxylamine oxidoreductase in anaerobic ammonium oxidation. Biochemistry :

49 Anammoxosoma:propiedades de la membrana NATURE VOL OCTOBER 2002

50 Oxidación anaeróbica de amonio M. Schmid et al., Candidatus "Scalindua brodae", sp. nov., Candidatus "Scalindua wagneri", sp. nov., two new species of anaerobic ammonium oxidizing bacteria.syst Appl Microbiol. (2003) 26: Candidatus "Anammoxoglobus propionicus" a new propionate oxidizing species of anaerobic ammonium oxidizing bacteria.syst Appl Microbiol. (2007) 30: 39-49

51 Oxidación anaeróbica de amonio

52 Oxidación anaeróbica de amonio NATURE VOL APRIL 2003

53 Oxidación anaeróbica de amonio

54 Eliminación de fósforo Primeras evidencias: AS Flujo pistón, alta carga, final anaeróbico y liberación de P La liberación de P se producía en anaerobiosis si había suficiente DBO presente (formación de? productos de fermentación) En condiciones aeróbica se podía producir la reincorporación de P Acumulación de polifosfato en PAO Ciclos de anaerobiosis/aerobiosis son esenciales Ciclos de anaerobiosis/aerobiosis seleccionan PAO (aerobios)

55 Otras tecnologías (biofilms, membranas)

56 Tratamientos en biofilm Biofilm las bacterias en el biofilm degradan compuestos orgánicos biofilm desarrollan en casi cualquier superficie

57 Tratamientos en biofilm distribuidor rotativo Lecho de relleno Efluente crudo Efluente tratado HRT= 8-20 minutos

58 Tratamientos en biofilm

59 Tratamientos en biofilm Trickling filter

60 Planta depuradora Sudoeste AYSA S.A.

61 Materiales de relleno

62 Sistemas híbridos: : MBBR Moving Bed Biofilm Reactor

63 Sistemas híbridos: : MBBR

64 Sistemas híbridos: : MBBR

65 Rotating Biological Contactors (RBC)

66 Reactor Biológicos con Membranas MBR X

67 Reactor Biológicos con Membranas MBR

68 Reactor Biológicos con Membranas MBR

69 Reactor Biológicos con Membranas MBR sumergidas exteriores

70 Reactor Biológicos con Membranas MBR Delphos, Ohio. Septiembre 2006 Volumen promedio: l/d Costo: U$S

71 Reactor Biológicos con Membranas MBR MBR para crucero de 5600 p.e. 64 membranas Alemania,, año 2010

72 Reactor Biológicos con Membranas MBR

73 Tratamiento anaeróbico

74 catabolismo oxidativo Reacción redox donde la materia orgánica resulta oxidada por un agente oxidante CH3COOH + 2 O2 CO2 + 2 H2O Kcal CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O Kcal

75 catabolismo fermentativo Consiste en la redistribución de electrones en la molécula fermentada formándose como mínimo dos productos (una forma más oxidada y una forma más reducida que el compuesto original)

76 catabolismo fermentativo CH3COOH CO2 + CH4 + E FERM (1) CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O Kcal (2) CH3COOH + 2 O2 2 CO2 + 2 H2O + E FERM Kcal 207 Kcal E FERM = 16 Kcal/mol

77 catabolismo fermentativo E ferm = 0.08 * E oxid Dónde está el 92% restante? CH 4

78 Tratamiento anaeróbico Reading, UK

79 Utilización de DQO aeróbico anaeróbico

80 Tratamiento anaeróbico CO 2 (40-50%) Biogas (CH 4 ) (70-90%) DQO (100%) DQO (100%) barro (50-60%) reactor aeróbico efluente (5-10%) reactor anaeróbico barro (5-15%) efluente (10-30%)

81 Upflow anaerobic sludge bed (UASB)

82 Upflow anaerobic sludge bed (UASB) Leiner Santafesina de Gelatinas SA Q: 3120 m3/d (9360 kg DBO/d)

83 Upflow anaerobic sludge bed (UASB)

84 Reactor de circulación interna (IC) biogas efluente 1er zona de recuperación de biogas alimentación

85 Otras configuraciones EGSB ABR AF AC

86 Consideraciones finales

87 Aspectos históricos del tratamiento de efluentes First laboratory experiments on activated sludge by Fowler, Ardern and Lockett at University of Manchester, UK First full-scale activated sludge plant at Worcester. Largescale tests in the US. First full-scale AS plant in US at Houston, TX Activated sludge plant built at Soelleroed, Denmark Pilot AS plant in Germany at Essen Full-scale AS plant at Rellinghausen, Germany Kessener brush aeration, Apeldoorn, the Netherlands Denitrification used in Sheffield Development of basis for consistent nitrification by Downing, Painter and Knowles, WPRL, Stevenage, UK 1972 Biological phosphorus removal (EBPR) described by Barnard in South Africa. 1970s Development of dynamic process computer models by WRc and IAWPRC. 1990s Membrane biological reactors (MBR) developed in Japan Fuente: P. F. Cooper. Historical aspects of wastewater treatment. En. Decentralised Sanitation and Reuse: Concepts, Systems and Implementation.(2001) Edited by P. Lens, G. Zeeman and G. Lettinga. IWA Publishing

88 Aspectos históricos del automovil 1905 Curved Dash Oldsmobile Ford T - It used a planetary transmission, had a pedal-based control system Ford V-8 - Ford introduced their powerful Flathead V Bugatti Type 57 - A high-tech and refined automobile for the rich 1934 Citroën Traction Avant - The first mass-produced front-wheel drive car, was a technology masterpiece Oldsmobile 88 - Introduced the high-compression V8 engine to the masses 1961 Jaguar E-type - The E-type set the standard for design and innovation 1962 BMC ADO16 - This front wheel drive car dominated sales in the UK 1962 Ferrari 250 GTO - The first supercar 1964 Pontiac GTO - A high-performance model and back in just 10 years Chevrolet Corvette - An American masterpiece of automotive engineering Datsun 240Z- Paved the way for decades of Japanese strength 1974 VW Golf - The exemplary modern compact car, with a square hatchback body, transverse straight-4 engine, and room for five passengers Honda Accord sedan - Set the stage for today's upscale Asian sedans Chrysler minivans - The two-box minivan design 1986 Ford Taurus- Mid-sized front wheel drive sedan with modern Computer Assisted Design 1992 Chrysler Concorde, Dodge Intrepid, Eagle Vision- These evolutionary styled cars shaped the future of passenger cars in the 90's BMW 3-Series - A compact car that provides luxury and performance 1993 Jeep Grand Cherokee - The archetypal upscale SUV with four-wheel drive, V8 power, and a luxurious interior

89 Hacia adonde va el tratamiento de efluentes?

90 Hacia adonde va el tratamiento de efluentes?

91 Efluentes como fuente renovable agua + Water Sci Technol 2007, 55 (1-2) materiales : - fertilizantes - bioplásticos - energía