Biomasa granular anóxica y anammox para el...

Biomasa granular anóxica y anammox para el

tratamiento de aguas residuales con compuestos

fenólicos

Nombre: Dr. Julián Carrera Muyo Institución: Universitat Autònoma de Barcelona

4º curso RED TRITÓN

Lima (Perú) 21/22-agosto-2017

Biomasa granular anóxica y anammox para el tratamiento de aguas residuales

con compuestos fenólicos y nitrógeno amoniacal



NH4+

NO2-

NO3-

ELEVADO

REQUERIMIENTO

DE OXÍGENO Y

ALCALINIDAD

ELEVADO

REQUERIMIENTO DE

MATERIA

ORGÁNICA Y

GRAN PRODUCCIÓN

DE LODOS

NO2-

N2

NITRIFICACIÓN

DESNITRIFICACIÓN





NH4+

NO2-

NO2-

N2

NITRITACIÓN

DESNITRIFICACIÓN

VÍA NITRITO

HASTA UN 25% DE

AHORRO EN LA

CANTIDAD

DE OXÍGENO

REQUERIDO

ENTRE UN 30-40% DE

AHORRO EN EL

REQUERIMIENTO DE

MATERIA ORGÁNICA Y

EN LA PRODUCCIÓN

DE LODOS





NH4+

NO2-

NO2-

N2

NITRITACIÓN

PARCIAL

ANaerobic

AMMonium

OXidation

(ANAMMOX)

HASTA UN 40% DE

AHORRO EN LA

CANTIDAD

DE OXÍGENO

REQUERIDO

SIN REQUERIMIENTOS

DE MATERIA ORGÁNICA

NH4+

NH4+





Nitrificación parcial + degradación

compuestos recalcitrantes

NH4+ +

Compuestos

recalcitrantes

O2

Desnitrificación heterotrófica

100 % NO2-

O2

Eliminación

materia

orgánica

Compuestos

recalcitrantes





Reactor Upflow Anoxic Sludge

Blanket (UAnSB)

Nitrógeno gas

Biomasa

granular

Inoculación con gránulos

anaerobios de una

reactor industrial

Ré

gim

en

co

ntin

uo

de

alim

en

tac

ión

Transformación total del

nitrito a nitrógeno gas con

fenol como donador de

electrones





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 (Vup) es uno de los parámetros clave en la

operación de los reactores UASB.

Efluente

Afluente

Recirculación

Lecho de lodo

Área transversal

Caudal de líquido

Elevadas Vup favorecen la

granulación por el mayor

estrés hidrodinámico

A Q





Nitri

te c

oncentr

ation (

mg

N L

-1)

0

20

40

60

80

100

Phenol concentr

ation (

mg

L-1

)

0

20

40

60

80

100

Nitrite effluent

Phenol effluent

Nitrite influent

Phenol influent

Time (d)

0 40 80 120 160 200 240 280 320

N r

em

oval (%

)

0

25

50

75

100

CO

D r

em

oval (%

)

0

25

50

75

100

N removal

COD removal

NLR

(g

N L

-1 d

-1)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

OLR

(g

CO

D L

-1 d

-1)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

NLR

OLR

Period I Period II Period III Period IV

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





Nitri

te c

oncentr

ation (

mg

N L

-1)

0

20

40

60

80

100

Phenol concentr

ation (

mg

L-1

)

0

20

40

60

80

100

Nitrite effluent

Phenol effluent

Nitrite influent

Phenol influent

Time (d)

0 40 80 120 160 200 240 280 320

N r

em

oval (%

)

0

25

50

75

100

CO

D r

em

oval (%

)

0

25

50

75

100

N removal

COD removal

NLR

(g

N L

-1 d

-1)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

OLR

(g

CO

D L

-1 d

-1)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

NLR

OLR

Period I Period II Period III Period IV

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.





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

SVI5: 15 ± 1 mL/g TSS

SVI30/SVI5: 1.0





5 mm 5 mm

Operational time (d)

0 50 100 150 200 250 300 350

Gra

nule

siz

e (

mm

)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Gra

nule

siz

e (

%)

0

20

40

60

80

100

Granule size (average)

Granule size < 0.2 mm

Granule size > 0.2 mm

Particle size (µm)

10 100 1000 10000

Volu

me (

%)

0

5

10

15

20

Day 0 (Inoculum)

Day 83

Day 320





5 mm 5 mm

Whole granule structure Inner granule structure

Outside surface Inner surface

100 μm 100 μm

10 μm 10 μm

MICROSCOPIO

ELECTRÓNICO DE

BARRIDO (SEM)





Class

Unknown

No Hit

Deltaproteobacteria

Cytophagia

Clostridia

Spirochaetia

Bacteroidia

Anaerolineae

Flavobacteriia

Negativicutes

Actinobacteria

Chloroflexi

Relative abundance (%)

0 20 40 60 80 100

Genus

Unknown

No Hit

Syntrophobacter

Cytophaga

Syntrophus

Clostridium

Spirochaeta

Longilinea

Smithella

Rubrobacter

Bacteroides

Geobacter

Acidobacterium

Flavobacterium

Chloroflexus

Acetobacterium

Anaerobic granules (inoculum) Anoxic granular biomass

Class

Ignavibacteria

Betaproteobacteria

Chloroflexi

Nitrospira

Gammaproteobacteria

Bacilli

Relative abundance (%)

0 20 40 60 80 100

Genus

Ignavibacterium

Denitratisoma

Chloroflexus

Thauera

Aquincola

Magnetobacterium

Arenimonas

Derxia

Azoarcus

Trichococcus

Bacterias anaerobias

Bacterias

desnitrificantes

Cambio en la

población

microbiana





Nitrificación parcial + degradación

compuestos recalcitrantes

NH4+ +

Compuestos

recalcitrantes

O2

Desnitrificación heterotrófica

100 % NO2-

50 % NO2-

50 % NH4+

Desnitrificación

autotrófica (ANAMMOX)

O2

Eliminación

materia

orgánica

Compuestos

recalcitrantes





Proceso Anammox NH4

+ + 1.32NO2- + 0.066HCO3

- + 0.13H+ 1.02N2 + 0.26NO3- + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O

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.





Tests de actividad específica anammox (SAA)

a diferentes condiciones y con diferentes

compuestos fenólicos:

• Compuestos por separado

• Mezclas de compuestos

• ¿Inhibición o toxicidad?

¿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.





Medida, a lo largo del tiempo, de la sobrepresión generada en los viales por el nitrógeno gas generado por la biomasa anammox

Time (h)

1 2 3 4 5 6Nit

rog

en

pro

du

cti

on

(m

gN

L-1

)

10

20

30

40

50

60

Control testo-CresolCondiciones en los viales:

50 mL

Sin oxígeno

pH: 7.8

T: 30 °C

35 mg N-NH4+/L

35 mg N-NO2-/L





SAA relativa =SAAen presenc ia del comp uesto s arom átic os

SAAmax× 100

Compuestos aromáticos estudiados:

o-cresol, p-nitrofenol, o-clorofenol y quinoleína

EXPERIMENTO CONDICIONES

Compuestos por separado 5-25 mg/L para o-cresol, p-nitrofenol y quinoleína 5-9 mg/L para o-clorofenol

Mezclas de compuestos Altas y bajas concentraciones para diferentes combinaciones

¿Inhibición o toxicidad? 2 adiciones secuenciales de substratos al mismo vial, eliminando los compuestos aromáticos, por lavado de la biomasa, antes de la 2ª adición de substrato





[o-cresol] (mg L-1

)

0 5 10 15 20 25

Re

lati

ve

SA

A (

%)

0

20

40

60

80

100

[p-nitrophenol] (mg L-1

)

0 5 10 15 20 25

Re

lati

ve

SA

A (

%)

0

20

40

60

80

100

[o-chlorophenol] (mg L-1

)

0 5 10 15 20 25

Re

lati

ve

SA

A (

%)

0

20

40

60

80

100

[quinoline] (mg L-1

)

0 5 10 15 20 25

Re

lati

ve

SA

A (

%)

0

20

40

60

80

100

9

100%

9

90%

9

77%

9

33%

Efecto

negativo de

mayor a

menor:

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







o-clorofenol


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

Bajo [p-nitrofenol] + [o-clorofenol] Bajo [p-nitrofenol] + [o-cresol]

EFECTO SINÉRGICO







o-clorofenol


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

Alto [o-cresol] + [quinoleína] Alto [p-nitrofenol] + [o-cresol]

EFECTO SINÉRGICO







o-clorofenol


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

Alto [p-nitrofenol] + [quinoleína] EFECTO ANTAGÓNICO





¿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.

SAA con el compuesto aromático

2 adiciones secuenciales de substratos a la misma biomasa anammox

Lavado de la biomasa

SAA sin el compuesto aromático






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







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

p-nitrofenol y quinoleína (a baja concentración) INHIBIDORES







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

o-cresol, o-clorofenol y quinoleína (a alta concentración) TÓXICOS





¿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).

Financiado por:



TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALES MEDIANTE

SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADAS EN PROCESOS

BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508

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