Degradación de disolventes orgánicos de uso industrial en un reactor anaerobio de lecho expandido

Resumen

La contaminación atmosférica constituye actualmente una seria amenaza para el medio ambiente y la salud. En este sentido, las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) pueden contribuir de forma importante a la contaminación atmosférica. Una gran parte de estos compuestos se emiten en procesos productivos en los que se utilizan disolventes, de forma que las industrias que realizan estas actividades han de reducir su emisión hasta los límites establecidos en la legislación mediante cambios en el proceso productivo, la sustitución de los disolventes empleados y, si es necesario, mediante el uso de una técnica de control que elimine este tipo de emisiones. En este sentido, las técnicas biológicas basadas en procesos aerobios se han mostrado eficaces para el tratamiento de las emisiones. Sin embargo, la elevada superficie requerida para su instalación a nivel industrial ha limitado su uso generalizado. Por ello, el desarrollo de una tecnología basada en la degradación anaerobia, que permita el tratamiento de cargas orgánicas mayores y la obtención de un subproducto con elevado poder energético como es el metano, se presenta como una alternativa más económicamente viable para el tratamiento de estas emisiones en algunos sectores industriales. Este trabajo de tesis doctoral ha sido realizado con el objetivo principal de estudiar la viabilidad del uso de un reactor anaerobio de lecho expandido para el tratamiento de un agua residual que contiene disolventes orgánicos provenientes del uso de tintas en la industria flexográfica. Los resultados obtenidos sientan las bases para la implantación de una nueva configuración para el control de las emisiones de COV de elevada solubilidad en agua, compuesta fundamentalmente por una torre lavadora y un reactor anaerobio. Para llevar a cabo este estudio se ha abordado una línea de trabajo principal, en la que se evaluó la degradación anaerobia de diferentes mezclas de disolventes en reactores anaerobios de lecho expandido bajo diferentes condiciones de operación. En paralelo se desarrollaron tres líneas de trabajo secundarias con objeto de: estudiar la potenciación de la granulación del fango, optimizar la dosificación de nutrientes, e implantar la prueba de concepto. En referencia a la línea principal, los ensayos bajo condiciones psicrofílicas de 18 °C y mesofílicas subóptima de 25 °C con una mezcla binaria compuesta por etanol y 1-metoxi-2-propanol se realizaron en dos reactores operados en paralelo, con aporte de sustrato continuo y discontinuo. En los ensayos llevados a cabo con aporte continuo de sustrato se realizó el seguimiento de los reactores durante 210 días de experimentación. En primer lugar se evaluó la adaptación de los microorganismos a la temperatura de operación en la degradación de un sustrato de elevada biodegradabilidad como es el etanol, siendo la carga orgánica máxima tratada con eficacias de eliminación superiores al 90% de 20 kg DQO m-3 d-1 y 30 kg DQO m-3 d-1 para las temperaturas de 18 y 25 °C, respectivamente. Una vez adaptados a las condiciones ambientales, se alimentaron los reactores con una mezcla de etanol y 1-metoxi-2-propanol, disolvente de amplio uso industrial y para el que no había información bibliográfica respecto a su degradación anaerobia. Cuando el sistema fue capaz de degradar 1-metoxi-2-propanol, se evaluó el efecto que las condiciones ambientales y la carga orgánica tienen sobre la degradación de los disolventes. De este modo se obtuvieron tiempos de adaptación a 1-metoxi-2-propanol de 44 días en condiciones psicrofílicas y de 34 días bajo condiciones mesofílicas, relacionados con la ausencia en el inóculo de las enzimas encargadas de la ruptura del enlace éter. Tras el periodo de adaptación, las máximas cargas orgánicas de 1-metoxi-2-propanol que se lograron degradar con eficacias de eliminación superiores al 90% fueron de 6.1 y 9 kg DQO m-3 d-1 a 18 y 25 °C, respectivamente. En la industria se pueden producir interrupciones de la alimentación que pueden afectar al proceso de degradación anaerobia. En este sentido, se ha evaluado la influencia sobre el funcionamiento del sistema de un periodo de 1 mes sin aporte de sustrato. La reanudación de la operación con aporte de sustrato en continuo mostró la necesidad de un nuevo periodo de adaptación de la biomasa a 1-metoxi-2-propanol. Después de la readaptación del sistema, y a fin de evaluar el efecto del aporte discontinuo sobre la respuesta transitoria del sistema, ambos reactores se alimentaron de forma intermitente, con paradas nocturnas (8 horas sin alimentación) y de fin de semana (56 horas sin alimentación), simulando el patrón diario y semanal de la emisión asociado a los turnos de trabajo, que pueden ser de 1 a 3, durante 5 a 7 días, dependiendo de las necesidades de producción. Este régimen de operación resultó en un descenso en la capacidad de eliminación de 1-metoxi-2-propanol hasta 7.2 kg DQO m-3 d-1 a 25 °C. La aplicación de cargas orgánicas elevadas bajo condiciones de aporte intermitente de sustrato conllevó la desgranulación parcial de la biomasa, siendo ésta una de las problemáticas a solucionar para la implantación a nivel industrial de esta tecnología. Esta parte del trabajo de tesis doctoral relacionada con la degradación anaerobia de una mezcla de etanol y 1-metoxi-2-propanol ha sido publicado en: Lafita, C., Penya-roja, J.M., Gabaldón, C., 2015. Anaerobic degradation of 1-methoxy-2-propanol under ambient temperature in an EGSB reactor. Bioprocess and Biosystem Engineering, 38, 2137-2146. El estudio sobre la degradación anaerobia de la mezcla binaria de disolventes se completó con el análisis de las poblaciones microbianas a lo largo de la operación en ambos reactores, para lo cual se implementaron y pusieron a punto técnicas de biología molecular como el análisis de electroforesis con gradiente desnaturalizante y posterior aislamiento y secuenciación de las bandas obtenidas. Los resultados de estos análisis permitieron identificar las principales especies microbianas presentes en cada reactor, su evolución a lo largo de la operación y las similitudes entre las poblaciones de los dos reactores anaerobios operados bajo condiciones ambientales diferentes. Estos mostraron una mayor biodiversidad en el dominio Bacteria, así como una similitud entre las comunidades microbianas identificadas en ambos reactores, lo que indica el establecimiento de una comunidad de microorganismos mesofílicos psicrotolerante en el reactor operado a 18 °C. Entre los microorganismos identificados destacó la presencia de aquéllos del género Acetobacterium, que se encuentran relacionados con la producción de enzimas necesarias para romper los enlaces éter en los éteres glicólicos, como el que se encuentra en 1-metoxi-2-propanol. La composición de las mezclas de disolventes utilizada en la industria flexográfica depende del acabado deseado, conteniendo normalmente compuestos oxigenados como etanol, acetato de etilo, acetona, 1-metoxi-2-propanol e isopropanol. Por este motivo se llevó a cabo un ensayo en un reactor anaerobio operado a 25 °C con un sustrato que contenía una mezcla multicomponente compuesta por estos disolventes, siendo mayoritarios etanol y acetato de etilo. En este ensayo se determinó, durante la puesta en marcha, el tiempo necesario para la adaptación de los microorganismos a los compuestos presentes en la mezcla, observándose la necesidad de un periodo de 41 días para la degradación de isopropanol y 1-metoxi-2-propanol. Una vez alcanzada una operación estable, se observó que el sistema podía tratar con una eficacia de eliminación mayor al 98% una carga orgánica de 45 kg DQO m-3 d-1. Posteriormente, se realizó un cambio en la composición de la mezcla, utilizando acetato de etilo como compuesto mayoritario en lugar de etanol, obteniendo también elevadas eficacias de eliminación, mostrando la posibilidad de tratar las diferentes mezclas de disolventes que pueden generarse como consecuencia de diferentes necesidades de producción en la aplicación industrial, siempre y cuando se apliquen bajas cargas orgánicas de aquellos disolventes que precisan de un tiempo de adaptación para su degradación, como son isopropanol y 1-metoxi-2-propanol. Las líneas de trabajo secundarias desarrolladas en paralelo a la principal comprendieron el estudio de la granulación del fango anaerobio, el efecto de la adición de micronutrientes en la degradación anaerobia y la prueba de concepto a escala de laboratorio. La desgranulación puede producirse por varios motivos, como por ejemplo la sobrecarga orgánica del sistema, dando lugar a la pérdida de biomasa del interior del reactor, lo que conlleva la necesidad de reemplazar la biomasa, necesitando un nuevo periodo de adaptación de los microorganismos a las condiciones ambientales y de sustrato. Una alternativa consiste en llevar a cabo una potenciación de la granulación del fango hasta alcanzar de nuevo la morfología granular deseada. Para estudiar el proceso de granulación, se realizaron varios ensayos en base a dos estrategias: reducción de la velocidad superficial y su combinación con la adición de floculante. Los floculantes estudiados fueron chitosan, un polímero natural, y aluminio. Este trabajo experimental permitió comprobar que el descenso de la velocidad superficial a valores inferiores a 1 m h-1 es el factor más importante en la potenciación de la granulación de un fango parcialmente desgranulado. Los resultados indicaron que la adición de floculantes no resultó particularmente beneficiosa para cultivos parcialmente desgranulados. Esto es, probablemente, debido a que no desaparecen completamente en el fango parcialmente desgranulado por sobrecarga orgánica. La presencia de micronutrientes es fundamental para la actividad de los microorganismos implicados en las rutas metabólicas de degradación anaerobia, aunque una dosificación excesiva puede causar la inhibición del proceso. Es por ello que se realizó un estudio del efecto que tiene la adición de metales pesados sobre la actividad metanogénica. Este estudio se realizó durante una estancia de investigación de 3 meses en la Delft University of Technology (Países Bajos) bajo la supervisión del profesor Dr. Henri Spanjers, con la que se opta a la Mención Internacional del título de Doctor. En concreto, en este trabajo se evaluó la influencia de diferentes concentraciones sobre la actividad metanogénica específica presentada por la biomasa de dos compuestos de cobalto, cloruro de cobalto y vitamina B12, y tungsteno mediante ensayos en reactores en discontinuo sobre un agua residual de elevada salinidad con una mezcla compuesta por acetato sódico y fenol. También se evaluó la biodisponibilidad de estos metales mediante el estudio de su distribución en la biomasa a partir de su extracción secuencial, lo que mostró que el contenido en metales del fango utilizado en este estudio era suficiente para asegurar una buena actividad metanogénica. En el caso del cobalto, la mayor biodisponibilidad en forma de vitamina B12 produjo la inhibición de la actividad metanogénica con menores concentraciones de este metal en el medio, por lo que se recomienda el uso de CoCl2 para su dosificación. En cuanto al papel del tungsteno, la biomasa inóculo presentó una concentración suficiente para asegurar la máxima actividad metanogénica. La dosificación de concentraciones superiores a 1 mg l-1 produjo la acumulación de este metal en la fracción intercambiable, lo que conllevó el descenso en la actividad microbiana. Estos resultados muestran que la dosificación óptima de metales se ha de determinar en estudios ad-hoc en función de la naturaleza química del agua residual a tratar y del inóculo utilizado. A partir de los resultados obtenidos, se implementó la prueba de concepto a escala de laboratorio de un biolavador anaerobio de lecho granular para el tratamiento de una emisión de COV de elevada solubilidad en agua, utilizando como compuesto de referencia etanol. Este ensayo permitió ultimar la definición del concepto para su posterior diseño a escala de planta piloto, permitiendo establecer la forma de acoplar las operaciones y los procesos implicados en el sistema. A escala de laboratorio, con una alimentación de contaminante en aire de 1.9 g h-1 y una transferencia al agua superior al 80%, lo que corresponde a una carga orgánica de 20 kg DQO m-3 d-1 en el reactor anaerobio, se alcanzaron eficacias de eliminación superiores al 94%.