Assessment of sulfate reduction process in sulfidogenic biological reactors using glycerol as the electron donor

Resum

L’augment de les activitats antropogèniques, com la combustió de combustibles fòssils que contenen sofre o processos industrials de mineria-foneria, dóna com a resultat l’emissió de gasos de combustió i aigües residuals que contenen grans quantitats de compostos de sofre que requereixen tractament abans de vessar-les directament a l’atmosfera o hidrosfera. Els reactors més utilitzats i amb més èxit a la tecnologia de tractament anaeròbic d’aigües residuals industrials són els reactors de tipus UASB i els seus derivats. L’objectiu d’aquesta tesi doctoral és avaluar el procés de reducció de sulfat en reactors biològics sulfidogènics (reactor UASB i ampolles de sèrum) utilitzant glicerol com a principal donador d’electrons i comprendre els complexos mecanismes subjacents darrere dels reactors anaeròbics sulfidogènics. Per fer-ho, es va instal·lar un reactor UASB a escala de laboratori i es va inocular amb fang granular d’una indústria de reciclatge de paper que s’utilitzava principalment per a la producció de biogàs. El reactor UASB va operar sota una relació TOC/S-SO42- constant d’1,5 ± 0,3 g C g-1 S i una càrrega volumètrica de C de 7,3 ± 1,6 kg C m-3 d-1 durant tota l’operació a llarg termini. El fang granular metanogènic es va adaptar ràpidament a les condicions sulfidogèniques i va mantenir una capacitat d’eliminació de sulfat de 4.5 ± 0.7 kg S-SO42-m-3 d-1 en 280 dies. La capacitat d’eliminació de sulfat va disminuir gradualment entre els dies 280 i 639 d’operació. L’activitat metanogènica va cessar al cap de 200 dies, acompanyada d’una acumulació progressiva d’AGV (principalment acetat). Un material floculant filamentós i esponjós, anomenada llim al llarg d’aquesta tesi, es va acumular al reactor després del cessament de l’activitat metanogènica. Les proves d’activitat en discontinu van mostrar que el llim no va afectar els mecanismes de fermentació de glicerol i reducció de sulfat, però podria afectar la transferència de massa de sulfat a la biomassa granular. A més, l’acumulació de llim va provocar la flotació de llots, cosa que va resultar en una pèrdua de rendiment a l’UASB a causa de la reducció de l’eficiència d’eliminació de sulfat i del fracàs de l’operació. Per tal d’avaluar el mecanisme de reducció de sulfat usant glicerol com a donador d’electrons i les seves taxes específiques de consum/producció, es va realitzar una bateria de proves d’activitat en discontinu amb i sense sulfat usant una varietat de fonts de carboni, incloent-hi glicerol, n-butanol, 2,3-butanodiol, 1,3-propanodiol, etanol, formiat, propionat i acetat. El glicerol va fermentar principalment a 1,3-propanodiol, etanol, formiat, propionat i acetat per microorganismes fermentatius. Excepte per l’acetat, es va descobrir que SRB utilitzava altres intermedis orgànics per a la reducció de sulfat en comptes del glicerol. El procés de reducció de sulfat va utilitzar principalment 1,3-propanodiol i etanol com a donadors d’electrons en tests alimentats únicament amb glicerol. Finalment, es va establir un model matemàtic per descriure el mecanisme de reducció de sulfat i fermentació anaeròbica de glicerol a través de múltiples vies i múltiples productes intermedis. El model va poder reproduir els resultats experimentals de les proves d’activitat en discontinu d’una manera molt consistent. La calibració del model es va realitzar a partir de l’estimació dels paràmetres biocinètics (taxes màximes d’específiques de consum de substrat i coeficients de semisaturació de Monod). El model va confirmar que la bioconversió de 1,3-propanodiol i etanol eren les principals vies de fermentació del glicerol. També es va trobar que el 3-hidroxipropionat seria un producte intermedi en el procés de fermentació del glicerol i en la degradació de l’1,3-propanodiol per a la reducció de sulfat.

Data del Ajut	1 d’abr. 2022
Idioma original	Anglès
Supervisor	Gamisans Noguera Xavier (Director/a), David Gabriel Buguña (Director/a) & Antonio David Dorado Castaño (Director/a)