Biomasa granular anóxica y anammox para el tratamiento de aguas residuales con compuestos fenólicos Nombre: Dr. Julián Carrera Muyo Institución: Universitat Autònoma de Barcelona
NH 4 + NITRIFICACIÓN NO 2 - NO 3 - ELEVADO REQUERIMIENTO DE OXÍGENO Y ALCALINIDAD DESNITRIFICACIÓN NO 2 - N 2 ELEVADO REQUERIMIENTO DE MATERIA ORGÁNICA Y GRAN PRODUCCIÓN DE LODOS
NH 4 + NITRITACIÓN NO 2 - HASTA UN 25% DE AHORRO EN LA CANTIDAD DE OXÍGENO REQUERIDO DESNITRIFICACIÓN VÍA NITRITO NO 2 - N 2 ENTRE UN 30-40% DE AHORRO EN EL REQUERIMIENTO DE MATERIA ORGÁNICA Y EN LA PRODUCCIÓN DE LODOS
NH 4 + NITRITACIÓN PARCIAL NO 2 - NH 4 + HASTA UN 40% DE AHORRO EN LA CANTIDAD DE OXÍGENO REQUERIDO ANaerobic AMMonium OXidation (ANAMMOX) NO 2 - N 2 NH 4 + SIN REQUERIMIENTOS DE MATERIA ORGÁNICA
Compuestos recalcitrantes NH 4 + + Compuestos recalcitrantes Desnitrificación heterotrófica 100 % NO 2 - O 2 Eliminación materia orgánica O 2 Nitrificación parcial + degradación compuestos recalcitrantes
Nitrógeno gas Transformación total del nitrito a nitrógeno gas con fenol como donador de electrones Biomasa granular Reactor Upflow Anoxic Sludge Blanket (UAnSB) Régimen continuo de alimentación Inoculación con gránulos anaerobios de una reactor industrial
Los reactores UASB se diseñaron para el proceso anaerobio de producción de biogás pero parecen una buena alterativa para implementar otros procesos como: desnitrificación heterotrófica y anammox. La velocidad ascensional del líquido (V up ) es uno de los parámetros clave en la operación de los reactores UASB. Efluente Caudal de líquido Recirculación Área transversal A Afluente Q Lecho de lodo Elevadas V up favorecen la granulación por el mayor estrés hidrodinámico
Se requiere una prolongada etapa de puesta en marcha. La duración de estas etapas depende del inóculo Se puede apreciar como lo que más cuesta es conseguir que se elimine el fenol NLR (g N L -1 d -1 ) Nitrite concentration (mg N L -1 ) N removal (%) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 100 80 60 40 20 0 100 75 50 25 0 Period I Period II Period III Period IV 0 40 80 120 160 200 240 280 320 Time (d) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 100 80 60 40 20 0 100 75 50 25 0 OLR (g COD L -1 d -1 ) Phenol concentration (mg L -1 ) COD removal (%) NLR OLR Nitrite effluent Phenol effluent Nitrite influent Phenol influent N removal COD removal
Tras la puesta en marcha, se alcanza la total eliminación del nitrito y el fenol con elevadas cargas de operación En estos casos, es interesante estudiar la máxima capacidad del sistema. Para ello se aumenta la carga (NLR) hasta el límite del sistema. Finalmente, se comprueba la robustez del sistema bajando la NLR y alcanzando de nuevo el 100% de eficacia. NLR (g N L -1 d -1 ) Nitrite concentration (mg N L -1 ) N removal (%) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 100 80 60 40 20 0 100 75 50 25 0 Period I Period II Period III Period IV 0 40 80 120 160 200 240 280 320 Time (d) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 100 80 60 40 20 0 100 75 50 25 0 OLR (g COD L -1 d -1 ) Phenol concentration (mg L -1 ) COD removal (%) NLR OLR Nitrite effluent Phenol effluent Nitrite influent Phenol influent N removal COD removal
5 mm 5 mm Inóculo (día 0) Gránulos anaerobios Día 325 Fenol + Nitrito Diámetro (mm) PS > 0.2 mm (%) PS < 0.2 mm (%) Día 0 1.0 ± 0.1 87 13 Día 325 0.75 ± 0.03 95 5 [SSV]: 15 ± 2 g/l ratio SSV/SST: 0.36 SVI 5 : 15 ± 1 ml/g TSS SVI 30 /SVI 5 : 1.0
Granule size (mm) 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 Granule size (average) Granule size < 0.2 mm Granule size > 0.2 mm 0.2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Operational time (d) 100 5 mm 5 mm 80 60 40 20 Granule size (%) Volume (%) 20 15 10 5 0 Day 0 (Inoculum) Day 83 Day 320 10 100 1000 10000 Particle size (µm)
5 mm 5 mm 100 μm Whole granule structure 100 μm Inner granule structure Outside surface 10 μm 10 μm Inner surface MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (SEM)
Class Genus Biomasa granular anóxica y anammox para el tratamiento de aguas residuales Anaerobic granules (inoculum) 0 20 40 60 80 100 Relative abundance (%) Unknown No Hit Deltaproteobacteria Cytophagia Clostridia Spirochaetia Bacteroidia Anaerolineae Flavobacteriia Negativicutes Actinobacteria Chloroflexi Unknown No Hit Syntrophobacter Cytophaga Syntrophus Clostridium Spirochaeta Longilinea Smithella Rubrobacter Bacteroides Geobacter Acidobacterium Flavobacterium Chloroflexus Acetobacterium Bacterias anaerobias Class Genus Cambio en la población microbiana Anoxic granular biomass 0 20 40 60 80 100 Relative abundance (%) Ignavibacteria Betaproteobacteria Chloroflexi Nitrospira Gammaproteobacteria Bacilli Ignavibacterium Denitratisoma Chloroflexus Thauera Aquincola Magnetobacterium Arenimonas Derxia Azoarcus Trichococcus Bacterias desnitrificantes
Compuestos recalcitrantes NH 4 + + Compuestos recalcitrantes Desnitrificación heterotrófica 100 % NO 2 - Desnitrificación autotrófica (ANAMMOX) O 2 Eliminación materia orgánica O 2 50 % NO 2-50 % NH 4 + Nitrificación parcial + degradación compuestos recalcitrantes
Proceso Anammox NH 4 + + 1.32NO 2 - + 0.066HCO 3 - + 0.13H + 1.02N 2 + 0.26NO 3 - + 0.066CH 2 O 0.5 N 0.15 + 2.03H 2 O Se predijo su existencia en los 70 y se descubrieron en los 90. Bacterias estrictamente anaerobias y autótrofas. Oxidan amonio con nitrito como aceptor de electrones y forman nitrógeno gas (90%) y nitrato (10%). Velocidad de crecimiento y rendimiento biomasa/substrato bajos.
Podría utilizarse el proceso anammox en el tratamiento de aguas industriales complejas? Sería una opción interesante porque no se requiere materia orgánica y porque apenas se generan fangos. El problema es la posible inhibición de las bacterias anammox por los compuestos fenólicos. Tests de actividad específica anammox (SAA) a diferentes condiciones y con diferentes compuestos fenólicos: Compuestos por separado Mezclas de compuestos Inhibición o toxicidad?
Medida, a lo largo del tiempo, de la sobrepresión generada en los viales por el nitrógeno gas generado por la biomasa anammox Condiciones en los viales: 50 ml Sin oxígeno ph: 7.8 T: 30 C 35 mg N-NH 4+ /L 35 mg N-NO 2- /L Nitrogen production (mgn L -1 ) 60 50 40 30 20 10 Control test o-cresol 1 2 3 4 5 6 Time (h)
Compuestos aromáticos estudiados: o-cresol, p-nitrofenol, o-clorofenol y quinoleína SAA relativa = SAA en presenc ia del comp uesto s arom átic os SAA max 100 EXPERIMENTO Compuestos por separado Mezclas de compuestos Inhibición o toxicidad? CONDICIONES 5-25 mg/l para o-cresol, p-nitrofenol y quinoleína 5-9 mg/l para o-clorofenol Altas y bajas concentraciones para diferentes combinaciones 2 adiciones secuenciales de substratos al mismo vial, eliminando los compuestos aromáticos, por lavado de la biomasa, antes de la 2ª adición de substrato
Relative SAA (%) 100 77% 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 9 [o-cresol] (mg L -1 ) 100 100% 80 Relative SAA (%) 60 40 20 0 0 5 910 15 20 25 [p-nitrophenol] (mg L -1 ) Efecto negativo de mayor a menor: Relative SAA (%) 100 80 60 33% 40 20 0 0 5 10 15 20 25 9 [o-chlorophenol] (mg L -1 ) Relative SAA (%) 100 90% 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 9 [quinoline] (mg L -1 ) 1. Clorofenol 2. o-cresol 3. Quinoleína 4. p-nitrofenol
Qué puede ocurrir cuando se prueban mezclas de compuestos? 1. Qué el efecto de la mezcla de compuestos sea igual al efecto individual más grande: EFECTO IRRELEVANTE. 2. Qué el efecto de la mezcla de compuestos sea IGUAL a la suma de los efectos individuales de cada compuesto: EFECTO ADITIVO. 2. Qué el efecto de la mezcla de compuestos sea MENOR a la suma de los efectos individuales de cada compuesto: EFECTO SINÉRGICO. 3. Qué el efecto de la mezcla de compuestos sea MAYOR a la suma de los efectos individuales de cada compuesto: EFECTO ANTAGÓNICO.
Concentración (mg/l) SAA (%) p-nitrofenol o-cresol o-clorofenol quinoleína Experimental Esperado 4-2 - 55 ± 12 100-4 2-22 ± 8 100-12 - 12 2 ± 3 20 12 12 - - 13 ± 6 40 12 - - 12 89 ± 9 60 8 8-8 10 ± 8 65
Concentración (mg/l) SAA (%) p-nitrofenol o-cresol o-clorofenol quinoleína Experimental Esperado 4-2 - 55 ± 12 100-4 2-22 ± 8 100-12 - 12 2 ± 3 20 Bajo [p-nitrofenol] + [o-clorofenol] Bajo [p-nitrofenol] + [o-cresol] EFECTO SINÉRGICO 12 12 - - 13 ± 6 40 12 - - 12 89 ± 9 60 8 8-8 10 ± 8 65
Concentración (mg/l) SAA (%) p-nitrofenol o-cresol o-clorofenol quinoleína Experimental Esperado Alto [o-cresol] + [quinoleína] Alto [p-nitrofenol] + [o-cresol] EFECTO SINÉRGICO 4-2 - 55 ± 12 100-4 2-22 ± 8 100-12 - 12 2 ± 3 20 12 12 - - 13 ± 6 40 12 - - 12 89 ± 9 60 8 8-8 10 ± 8 65
Concentración (mg/l) SAA (%) p-nitrofenol o-cresol o-clorofenol quinoleína Experimental Esperado 4-2 - 55 ± 12 100-4 2-22 ± 8 100 Alto [p-nitrofenol] + [quinoleína] EFECTO ANTAGÓNICO - 12-12 2 ± 3 20 12 12 - - 13 ± 6 40 12 - - 12 89 ± 9 60 8 8-8 10 ± 8 65
Cuándo es inhibición y cuando toxicidad? 1. Cuándo la disminución de la actividad biológica es REVERSIBLE: INHIBICIÓN. 2. Cuándo la disminución de la actividad biológica es IRREVERSIBLE: TOXICIDAD. 2 adiciones secuenciales de substratos a la misma biomasa anammox Lavado de la biomasa SAA con el compuesto aromático SAA sin el compuesto aromático
Concentración (mg/l) SAA (%) p-nitrofenol o-cresol o-clorofenol quinoleína Antes del lavado Después del lavado - 10 - - 69 ± 8 56 ± 1 10 - - - 95 ± 4 96 ± 1 - - 10-41 ± 12 7 ± 1 - - - 10 86 ± 9 89 ± 1-25 - - 5 ± 1 0 ± 0 25 - - - 71 ± 1 96 ± 2 - - - 25 54 ± 8 80 ± 2
Concentración (mg/l) SAA (%) p-nitrofenol o-cresol o-clorofenol quinoleína Antes del lavado p-nitrofenol y quinoleína (a baja concentración) INHIBIDORES Después del lavado - 10 - - 69 ± 8 56 ± 1 10 - - - 95 ± 4 96 ± 1 - - 10-41 ± 12 7 ± 1 - - - 10 86 ± 9 89 ± 1-25 - - 5 ± 1 0 ± 0 25 - - - 71 ± 1 96 ± 2 - - - 25 54 ± 8 80 ± 2
Concentración (mg/l) SAA (%) p-nitrofenol o-cresol o-clorofenol quinoleína Antes del lavado Después del lavado - 10 - - 69 ± 8 56 ± 1 10 - - - 95 ± 4 96 ± 1 - - 10-41 ± 12 7 ± 1 o-cresol, o-clorofenol y quinoleína (a alta concentración) TÓXICOS - - - 10 86 ± 9 89 ± 1-25 - - 5 ± 1 0 ± 0 25 - - - 71 ± 1 96 ± 2 - - - 25 54 ± 8 80 ± 2
Se podría utilizar entonces el proceso anammox? 1. Hay compuestos aromáticos que provocan inhibición, e incluso, toxicidad en el proceso anammox. 2. Debería estudiarse la adaptación de la biomasa a estos compuestos a largo plazo. 3. Debería garantizarse que llegue la mínima cantidad posible de compuestos aromáticos desde la etapa previa (nitritación parcial).
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