Desulfuración de biogás en biorreactores con biomasa en suspensión con nitrificación simultánea de efluentes con alto contenido en amonio

  1. González Cortés, José Joaquin
Supervised by:
  1. Martín Ramírez Muñoz Director
  2. Fernando Almengló Cordero Director

Defence university: Universidad de Cádiz

Fecha de defensa: 24 February 2021

Committee:
  1. David Gabriel Buguña Chair
  2. Gema Cabrera Revuelta Secretary
  3. Guillermo Quijano Govantes Committee member
Department:
  1. Ingeniería Química y Tecnología de Alimentos

Type: Thesis

Teseo: 649794 DIALNET lock_openTESEO editor

Abstract

El biogás es una fuente de energía renovable cuyo aprovechamiento ayuda a reducir la emisión de gases tipo invernadero. Sin embargo, la valorización de este efluente gaseoso requiere una etapa de purificación para eliminar algunos componentes que restringen su aplicación. Entre los compuestos que impiden el aprovechamiento del biogás destaca el H2S. La mera presencia de este compuesto durante la combustión del biogás provoca corrosión en los equipos y la emisión de dióxidos de azufre (SO2) por lo que la disminución de su concentración es imprescindible. La desulfuración anóxica de biogás se ha estudiado y optimizado en biofiltros percoladores (BTFs) de manera exitosa. Sin embargo, la generación y acumulación de azufre elemental en el material de relleno de la columna, provoca un aumento en los costes de operación e incluso puede provocar la parada del equipo por colmatación del lecho, limitando por tanto su uso. Este problema puede ser evitado usando biorreactores con biomasa en suspensión como los propuestos en la presente Tesis Doctoral (gas-lift y biorreactor continuo de tanque agitado (CSTBR)). De esta manera, al no disponer de ningún soporte al que adherirse, el azufre elemental puede ser fácilmente retirado y reutilizado para otros fines comerciales. Con el objetivo de optimizar el bioproceso en las diferentes configuraciones experimentales propuestas, se estudió el efecto de los parámetros operacionales más importantes (inhibición por nitrito, ratio molar nitrógeno azufre (N/S), el tiempo hidráulico de retención (HRT), pH, carga de entrada (IL), tiempo de residencia del gas (GRT) y la velocidad de agitación). Desde un punto de vista operacional, el rendimiento del biorreactor tipo gas-lift fue mejor en comparación con el CSTBR en términos de máxima capacidad de eliminación (EC) de H2S (194,2 ± 4,2 gS-H2S m–3 h–1 (RE = 83,9%) frente a 166,0 ± 7,2 g S-H2S m–3 h–1 (RE = 71,7 ± 3,1%)), máxima productividad de biomasa (0,97 mg N L–1 h–1 frente a 0,63 mg N L–1 h–1) y máxima producción de azufre (99,0% frente a 88,3%). El empleo de nitrato o nitrito químico para llevar a cabo la desulfuración anóxica genera unos costes de operación elevados. Con el objeto de reducir estos costes, se propone el uso de un efluente nitrificado rico en nitrito/nitrato para alimentar al biorreactor de desulfuración. Entre los efluentes ricos en amonio con potencial de ser nitrificado se eligieron los lixiviados de vertedero por sus altos volúmenes de producción y difícil tratamiento. Inicialmente, se estudió mediante técnicas respirométricas la velocidad de oxidación parcial de amonio a nitrito de la biomasa nitrificante y si su adaptación previa a los lixiviados de vertedero mejoraría su velocidad específica de oxidación de amonio. Se estudió y modeló la velocidad de nitritación de tres tipos diferentes de biomasas adaptadas (biomasa adaptada a medio sintético (XSM) y dos biomasas adaptadas a dos tipos diferentes de lixiviados intermedios (XILL1 y XILL2)) empleando tres tipos diferente de sustrato (medio sintético (SM) y dos tipos de lixiviados intermedios (ILL1 e ILL2)). Los modelos están basados en modelos reportados previamente (Haldane, Edwards y Aiba) y consideran el efecto de tres metales pesados presentes en los lixiviados de vertedero (Cu, Ni and Zn). La biomasa adaptada a medio sintético se caracterizó por ofrecer una velocidad específica de oxidación (qS) de 41,85 ± 1,09 mg N-NH4+ g TSS−1 h−1, unas 5 veces mayor que la biomasa adaptada al ILL1 y unas 28 veces mayor que la biomasa adaptada a ILL2. Por tanto, estos resultados apoyan la idea de que no es necesario realizar una adaptación previa de la biomasa nitrificante a lixiviados de vertedero, siendo su puesta en contacto con estos efluentes perjudicial para su qS. Por último, se realizó una integración de un biorreactor de nitrificación, con el biorreactor de desulfuración que mejores resultados ofreció (gas-lift). Se empleó nitrito/nitrato producido de manera biológica mediante nitrificación de dos efluentes ricos en amonio diferentes (SM y ILL2). Los resultados demostraron la posibilidad de emplear ambos sustratos como fuentes de nutrientes. Empleando lixiviado de vertedero, se obtuvo una producción de azufre elemental máxima de 95 ± 1% y una máxima H2S EC de 141,18 g S-H2S m–3 h–1 (RE = 95,0%). La comunidad microbiana presente en el biorreactor de desulfuración se estudió mediante Next Generation Sequencing, siendo el género Sulfurimonas (91.8–50.9%) el más común, seguido de Thauera (1.1–24.2%) y Lentimicrobium (2.0–9.7%).