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

Resumen

El aumento de las actividades antropogénicas, como la combustión de combustibles fósiles que contienen azufre o procesos industriales de minería-fundición, da como resultado la emisión de gases de combustión y aguas residuales que contienen grandes cantidades de compuestos de azufre que requieren tratamiento antes de verterlas directamente a la atmósfera o la hidrosfera. Los reactores más utilizados y con más éxito en la tecnología de tratamiento anaeróbico de aguas residuales industriales son los reactores de tipo UASB o sus variantes. El objetivo de esta tesis doctoral es evaluar el proceso de reducción de sulfato en reactores biológicos sulfidogénicos (reactor UASB y botellas de suero) utilizando glicerol como principal donador de electrones, y comprender los complejos mecanismos subyacentes detrás de los reactores anaeróbicos sulfidogénicos. Para ello, se instaló un reactor UASB a escala de laboratorio y se inoculó con lodo granular de una industria de reciclaje de papel, que se utilizaba principalmente para la producción de biogás. El reactor UASB operó bajo una relación TOC/S-SO42- constante de 1,5 ± 0,3 g C g-1 S y una carga volumétrica de C de 7,3 ± 1,6 kg C m-3 d-1 durante toda la operación a largo plazo. El lodo granular metanogénico se adaptó rápidamente a las condiciones sulfidogénicas y mantuvo una capacidad de eliminación de sulfato de 4.5 ± 0.7 kg S-SO42- m-3 d-1 en 280 días. La capacidad de eliminación de sulfato disminuyó gradualmente entre los días 280 y 639 de operación. La actividad metanogénica cesó a los 200 días, acompañada de una acumulación progresiva de AGV (principalmente acetato). Un material floculante filamentoso y esponjoso, llamada limo o largo de esta tesis, se acumuló en el reactor después del cese de la actividad metanogénica. Las pruebas de actividad en discontinuo mostraron que el limo no afectó los mecanismos de fermentación de glicerol y reducción de sulfato, pero podría afectar la transferencia de masa de sulfato a la biomasa granular. Además, la acumulación de limo provocó la flotación de lodos, lo que resultó en una pérdida de rendimiento en el UASB traducido en una reducción de la eficiencia de eliminación de sulfato y al fracaso de la operación. Con el fin de evaluar el mecanismo de reducción de sulfato usando glicerol como donador de electrones y sus tasas específicas de consumo / producción, se realizó una batería de pruebas de actividad en discontinuo con y sin sulfato usando una variedad de fuentes de carbono, incluyendo glicerol, n-butanol, 2,3-butanodiol, 1,3-propanodiol, etanol, formiato, propionato y acetato. El glicerol fermentó principalmente a 1,3-propanodiol, etanol, formiato, propionato y acetato por microorganismos fermentativos. Excepto por el acetato, se descubrió que SRB utilizaba otros intermedios orgánicos para la reducción de sulfato en vez de glicerol. El proceso de reducción de sulfato utilizó principalmente 1,3-propanodiol y etanol como donadores de electrones en test alimentados únicamente con glicerol. Finalmente, se estableció un modelo matemático para describir el mecanismo de reducción de sulfato y fermentación anaeróbica de glicerol a través de múltiples vías y múltiples productos intermedios. El modelo pudo reproducir los resultados experimentales de las pruebas de actividad en discontinuo de una manera muy consistente. El modelo fue calibrado a partir de la estimaron de los parámetros biocinéticos (tasas máximas de específicas de consumo de sustrato y coeficientes de semisaturación de Monod). Las predicciones del modelo, consistentes con el comportamiento experimental observado, confirmó que la bioconversión de 1,3-propanodiol y etanol eran las principales vías de fermentación del glicerol. También se encontró que el 3-hidroxipropionato sería otro producto intermedio en el proceso de fermentación del glicerol y en la degradación del 1,3-propanodiol para la reducción de sulfato.

Fecha de lectura	1 abr 2022
Idioma original	Inglés
Supervisor	Gamisans Noguera Xavier (Director/a), David Gabriel Buguña (Director/a) & Antonio David Dorado Castaño (Director/a)