Estudio de la formación de biomasa granular en el tratamiento anaerobio de disolventes orgánicos en reactores de alta carga

Resumen

La contaminación atmosférica constituye uno de los principales problemas medioambientales en la actualidad, afectando a los ecosistemas y a la salud de los seres humanos a nivel mundial. Los compuestos orgánicos volátiles (COV), emitidos principalmente a partir del uso de disolventes en procesos industriales, contribuyen de manera importante a la contaminación atmosférica, razón por la cual, las industrias emisoras deben ajustarse a la normativa vigente, reduciendo sus emisiones y aplicando técnicas de control para el tratamiento y la eliminación de estos contaminantes atmosféricos. Las tecnologías biológicas se han mostrado eficaces a nivel técnico y económico para la depuración de las emisiones de COV. Pese a ello, las tecnologías biológicas de mayor uso en la actualidad se fundamentan en procesos aerobios, requiriendo elevadas superficies para su instalación y presentando dificultades que limitan su aplicación generalizada a escala industrial. En este contexto, el grupo de investigación en Ingeniería Ambiental del departamento de Ingeniería Química de la Universitat de València ha desarrollado una tecnología novedosa de biolavador anaerobio para el tratamiento de emisiones de COV de alta solubilidad en colaboración con la compañía Pure Air Solutions B.V. En este proceso, previa absorción de los contaminantes gaseosos a una fase acuosa, el tratamiento de los COV se efectúa de acuerdo con los fundamentos de la depuración anaerobia de aguas residuales de origen industrial en reactores de alta carga, empleando para ello biomasa granular. En este trabajo de tesis doctoral se presenta el estudio de la formación de biomasa granular en reactores de alta carga empleados para el tratamiento anaerobio de un agua residual sintética contaminada con disolventes orgánicos, específicamente, aquellos que son constituyentes principales de las emisiones de la industria flexográfica: etanol, acetato de etilo y 1-etoxi-2-propanol. Atendiendo a la necesidad imperativa de obtener un fango granular para que los reactores de alta carga operen adecuadamente, garantizando un alto tiempo de retención de sólidos y altas velocidades de degradación de los contaminantes orgánicos, en esta investigación se aborda el proceso de granulación anaerobia a partir de fangos en suspensión procedentes del digestor anaerobio de una estación depuradora de aguas residuales urbanas, evaluando los factores principales que inciden en la granulación. También se realiza la evaluación del proceso de degradación anaerobia de efluentes contaminados con la mezcla ternaria de disolventes orgánicos bajo diferentes condiciones de operación, y se lleva a cabo el análisis de las comunidades microbianas que participan en el proceso. El contenido de la presente memoria inicia con el Capítulo 1, en el cual se contextualiza la problemática ambiental asociada a la emisión de COV. En este capítulo se describen las tecnologías de mayor uso en la actualidad para el tratamiento de las emisiones de COV, haciendo énfasis en el biolavador anaerobio. Se incluye una revisión bibliográfica acerca de los aspectos bioquímicos y microbiológicos del proceso de degradación anaerobia, así como una descripción de los reactores de alta carga y su aplicación para el tratamiento de disolventes orgánicos de interés industrial. En el Capítulo 2 se describe el proceso de granulación anaerobia, señalando el conocimiento existente sobre los mecanismos que dan lugar a este fenómeno natural y los factores que inciden en el proceso. Posteriormente, en el Capítulo 3, se presenta el objetivo de la tesis doctoral, el cual consiste en el estudio de la formación de biomasa granular en reactores anaerobios de alta carga a escala de laboratorio empleados para el tratamiento de un agua residual sintética contaminada con disolventes orgánicos de alta solubilidad en agua, e inoculados con un fango anaerobio en suspensión. En el Capítulo 4 se detallan los materiales y los métodos empleados para la realización del trabajo experimental. La descripción de los estudios llevados a cabo junto con la metodología implementada, los resultados obtenidos y su discusión, se presentan a partir del Capítulo 5. En el Capítulo 5 se evalúa el efecto de la adición del polímero quitosano sobre la granulación de un fango en suspensión empleado como inóculo en un estudio comparativo llevado a cabo en tres reactores de alta carga con alimentación continua de un agua residual sintética contaminada con etanol, acetato de etilo y 1-etoxi-2-propanol, operando bajo distintas condiciones de flujo y en ausencia de quitosano o con adición de dicho polímero. En este estudio, que tuvo una duración de 219 días, se evaluó la puesta en marcha y la operación de los reactores, atendiendo al rendimiento de la eliminación de la materia orgánica y la producción de metano, se evaluó la variación temporal del tamaño de partícula y se determinaron las características físicas y bioquímicas de la biomasa granular obtenida. El estudio de la formación de biomasa granular se complementó con el análisis de la dinámica de las comunidades microbianas mediante dos técnicas de biología molecular, electroforesis en gel con gradiente desnaturalizante (DGGE) y secuenciación de alto rendimiento. Durante los ensayos se aplicaron cargas orgánicas volumétricas en el intervalo comprendido entre 0.6 y 20 kg DQO m-3 d-1. La adición de quitosano permitió disminuir el tiempo de adaptación del fango en suspensión para la degradación del agua residual sintética, alcanzándose eficacias de eliminación de la materia orgánica superiores al 92 % en tan sólo 11 días de operación; mientras que en el reactor de control —sin adición de quitosano— la eficacia de eliminación fue del 84 % tras 22 días de operación. En los reactores asistidos con el polímero fue posible la aplicación de mayores cargas orgánicas en un menor tiempo, con una mayor estabilidad y con una producción específica de metano entre un 10 y un 12 % superior a la obtenida en el reactor de control. El análisis del efluente de los reactores mostró la menor velocidad de degradación del 1-etoxi-2-propanol respecto a los otros componentes de la mezcla terciaria, etanol y acetato de etilo, asociada a la escisión del enlace éter de glicol que actúa como etapa limitante. En los tres sistemas se obtuvo la granulación del fango en suspensión. No obstante, la formación de biomasa granular tuvo lugar en un menor tiempo en los reactores con adición de quitosano. Los gránulos en estos sistemas presentaron velocidades de sedimentación entre 1.4 y 1.8 veces superiores a la de los gránulos del reactor de control, una mayor actividad metanogénica específica y una mayor producción de proteínas extracelulares. El aumento del tamaño de partícula mostró una relación directa con la producción de proteínas extracelulares. En el análisis de la variación temporal de las comunidades microbianas se encontró la predominancia de microorganismos capaces de realizar un metabolismo sintrófico. Los resultados indicaron que, inicialmente, la población de arqueas se vio afectada por el cambio en las condiciones ambientales y la exposición a los disolventes orgánicos. La afectación fue más notoria en el reactor de control, en el que la presencia de especies del género Methanosaeta, importantes en la formación y mantenimiento de gránulos anaerobios, disminuyó en mayor medida que en los reactores con quitosano. Las dos técnicas de biología molecular aplicadas permitieron determinar que los microorganismos predominantes en el fango granular de los tres reactores pertenecen a los géneros Geobacter y Methanocorpusculum. La presencia de este último microorganismo en alta abundancia sugirió su participación en la formación de gránulos, e indicó que la metanogénesis hidrogenotrófica fue una ruta metabólica importante para la producción de metano a partir de los disolventes orgánicos alimentados. Parte de los resultados presentados en el Capítulo 5 han sido publicados en: Torres, K., Álvarez-Hornos., F.J., San-Valero, P., Gabaldón, C., Marzal, P., 2018. Granulation and microbial community dynamics in the chitosan-supplemented anaerobic treatment of wastewater polluted with organic solvents. Water Res. 130, 376-387. Los sistemas de tratamiento industriales están sujetos a perturbaciones operacionales asociadas a la dinámica de los procesos productivos de la industria emisora. Dichas perturbaciones, entre las que se encuentran la variación del caudal y de la concentración de las emisiones, pueden afectar a la dinámica de las poblaciones microbianas, a la estabilidad del reactor y, en definitiva, a la eficacia del tratamiento. En el Capítulo 6 se evalúa el efecto de la alimentación intermitente del agua residual contaminada con disolventes orgánicos sobre el rendimiento de tres reactores de alta carga, sobre las características del fango granular y sobre la estructura de las comunidades microbianas. A fin de simular condiciones de operación típicas de las instalaciones industriales se estableció un patrón de alimentación de 16 horas al día durante 5 días a la semana. Uno de los reactores se operó con adición periódica de quitosano. Operando a una carga orgánica de hasta 50 kg DQO m-3 d-1 se alcanzaron eficacias de eliminación superiores al 94 %, aunque con rendimientos de metano inferiores a los obtenidos en los ensayos con alimentación continua de agua residual. La capacidad de los reactores para alcanzar condiciones de pseudo-estado estacionario puso de manifiesto la robustez del tratamiento de efluentes contaminados con disolventes orgánicos con alimentación intermitente. La evaluación de la respuesta transitoria de los reactores a la reanudación de la alimentación del agua residual demostró una rápida recuperación de la actividad metanogénica después de los periodos de 8 horas sin alimentación de sustrato orgánico. Los periodos de interrupción de 56 horas afectaron en mayor medida a la actividad metabólica de los microorganismos anaerobios, con una mayor concentración de ácidos grasos volátiles en el efluente y menores rendimientos de metano. Asimismo, la alimentación intermitente del agua residual y la operación a altas cargas orgánicas afectaron a la integridad estructural de los gránulos, resultando en la flotación de éstos y en la oscilación del tamaño de partícula. La adición periódica de quitosano mejoró entre un 12 y un 15 % la actividad metanogénica específica del fango granular en comparación con los reactores a los que no se añadió el polímero. La evaluación de las comunidades microbianas en los ensayos de operación con alimentación intermitente de agua residual reveló que se produjo una evolución hacia la predominancia de bacterias pertenecientes al filo Proteobacteria capaces de ejercer un metabolismo sintrófico, con las especies del género Geobacter como las bacterias predominantes en los sistemas. Tal como en el inóculo de cada reactor, los metanógenos hidrogenotróficos del género Methanocorpusculum fueron abundantes. Una vez evaluada la formación de biomasa granular con alimentación continua de sustrato orgánico y la posterior operación con alimentación intermitente, en el Capítulo 7 se abordó el estudio de la formación de biomasa granular en reactores de flujo ascendente operados, en este caso, con alimentación intermitente de agua residual. En este estudio se pusieron en marcha dos reactores con un patrón de alimentación de sustrato de 16 horas al día durante 7 días a la semana. En los ensayos se evaluó el efecto de la carga hidráulica sobre el proceso de granulación, operando un reactor con velocidades ascensionales del líquido entre 0.05 y 0.15 m h-1, y otro con una velocidad ascensional de 3 m h-1. Los ensayos se realizaron con adición periódica de quitosano a fin de reducir el tiempo requerido para la consecución de biomasa granular y la puesta en marcha de los reactores. Se evaluó la operación de los reactores, la evolución del tamaño de partícula y la estructura de las comunidades microbianas al finalizar el experimento. En ambos sistemas se efectuó el tratamiento de una carga orgánica máxima de 13 kg DQO m-3 d-1, con eficacias de eliminación superiores al 90 %. El aporte intermitente de sustrato orgánico afectó al rendimiento de metano, siendo éste un aspecto a considerar para alcanzar la máxima recuperación posible del potencial energético derivado de la degradación de los disolventes orgánicos. La adición periódica de quitosano promovió la formación de biomasa granular. No obstante, se produjo un episodio de sobredosificación del polímero, resultando en la flotación de biomasa activa. Una velocidad ascensional superior no evidenció un mejor rendimiento, en cambio, pudo estar relacionada con la obtención de gránulos con un tamaño de partícula inferior y menos resistentes a las fuerzas de cizalladura. Respecto al análisis de la estructura de las comunidades microbianas, los microorganismos predominantes observadas en ambos reactores pertenecen a los géneros Geobacter y Methanocorpusculum. Operando con una velocidad ascensional inferior se observó una mayor abundancia de microorganismos sulfatoreductores del género Desulfovibrio. En el Capítulo 7 se presenta, además, la comparación de la estructura de las comunidades microbianas del fango granular desarrollado en los diferentes experimentos en los que se utilizó quitosano como coadyuvante del proceso de granulación. Dicha comparación tuvo por objeto relacionar las comunidades predominantes encontradas en los reactores con las diferentes condiciones operacionales fijadas y con el proceso de formación de biomasa granular. Se encontró que los microorganismos predominantes, aunque en abundancias relativas variables, se agrupan en los géneros Methanocorpusculum, Geobacter y Desulfovibrio, pese a que en los ensayos se utilizaron inóculos que, si bien procedían del mismo digestor, presentaron diferentes características, y a que se evaluaron condiciones operacionales diferentes, como el patrón de alimentación de agua residual y de sustrato orgánico, la carga orgánica, la concentración de materia orgánica en el afluente, el tiempo de retención hidráulico, la velocidad ascensional del líquido y la adición de quitosano. Estos resultados indicaron que la composición del agua residual determinó la presencia de las comunidades microbianas. La dominancia de microorganismos hidrogenotróficos indicó que la degradación del sustrato orgánico hasta metano se produjo, principalmente, a partir de interacciones sintróficas. Finalmente, con el objetivo de evaluar otra estrategia para la consecución de biomasa granular, se realizó el estudio de la puesta en marcha de un reactor anaerobio inoculado con un fango en suspensión bajo alimentación continua de sustrato orgánico en presencia de esferas de alcohol polivinílico. En el estudio, presentado en el Capítulo 8, se utilizaron esferas de alcohol polivinílico con el objeto de proveer un material que actuara como bioportador para la formación de núcleos para el desarrollo de gránulos. La puesta en marcha del reactor se alcanzó tras 100 días, en los que se aplicaron cargas orgánicas en el intervalo comprendido entre 0.6 y 15 kg DQO m-3 d-1, obteniendo eficacias de eliminación superiores al 90 %. Los resultados del seguimiento de las características del efluente del reactor y de la variación temporal del tamaño de partícula demostraron la desintegración de las esferas. No obstante, la metodología empleada para la puesta en marcha del reactor favoreció la formación rápida de biomasa granular, tal como lo indicó el incremento del tamaño medio de partícula desde 85 hasta 441 µm tras 30 días de operación. El análisis de las comunidades de bacterias mostró que el alginato, procedente de la desintegración de las esferas, pudo servir como fuente de carbono para el crecimiento de microorganismos como Dysgonomonas alginatilytica. Las conclusiones de la presente tesis doctoral se han presentado en cada uno de los capítulos correspondientes a resultados, y se compilan en el Capítulo 9 junto con las perspectivas de investigación en esta línea de trabajo.