Performance, monitoring and modeling of hydrogenotrophic sulfate reductiona study in a gas-lift bioreactor

Resumen

SO2 es un contaminante perjudicial para el medio ambiente que se emite principalmente por la combustión de combustibles fósiles y, entre sus problemas asociados, se encuentran la lluvia ácida y la formación de material particulado. El tratamiento de SO2 puede ser realizado por medio del proceso SONOVA/ENSURE que tiene como reto el tratamiento de las emisiones de gases de combustión con el objetivo de la recuperación de azufre lo que podría permitir su valorización en otros sectores económicos. Consta de tres etapas globales: absorción de gases, conversiones biológicas y recuperación de azufre elemental. Esta tesis se centró en la etapa biológica y, en particular, en la reducción de sulfato a sulfuro utilizando H2 como donador de electrones y CO2 como fuente de carbono. En ese sentido, el presente trabajo se desarrolló en tres facetas principales. La primera consistió en la evaluación experimental de la reducción biológica de sulfato. En esta se realizaron estudios preliminares para promover el enriquecimiento de la reducción hidrogenotrófica de sulfato utilizando un inóculo de un reactor UASB a gran escala que trataba aguas residuales ricas en sulfato de una fábrica de pulpa y papel. La población microbiana se enriqueció en H2-SRB mediante la operación secuencial de dos reactores de tanque agitado (STR) y un reactor gas-lift (GLR) alimentados con H2 y CO2, en el cual la producción de metano se evitó, pero la velocidad de reducción de sulfato (SRR) obtenida fue baja. Por lo tanto, el GLR fue configurada en operación secuencial por lotes con el objetivo de aumentar la SRR, en la cual no se produjo metano, y solo se produjo acetato a bajas SLR; así, se logró una operación óptima y estable a un SLR de 902 mg S-Sulfate L-1 d-1 con una eficiencia de eliminación de sulfato de 93±7 % (p/p). La segunda parte de esta tesis consistió en la construcción de un sistema de monitorización de sulfuro en línea (S-OMS) en el cual fue posible medir sulfuro total disuelto (TDS) en un intervalo de 1.5 a 30400 mg TDS L-1, y las pruebas de repetibilidad y reproducibilidad mostraron una adecuada desviación estándar relativa (RSD) en el intervalo 1.8-5.3 %. Los resultados del GLR monitorizando nueve ciclos mostraron que las mediciones del S-OMS se correlacionaron satisfactoriamente con las medidas de un electrodo selectivo de iones de sulfuro comercial. El último paso de esta tesis consistió en el desarrollo, calibración y validación de un modelo matemático para describir la operación del GLR. El modelo fue calibrado y los análisis estadísticos para la validación del modelo mostraron buenos resultados para sulfato y acetato con menor precisión para TDS, lo que se explica por las grandes desviaciones experimentales de los valores de TDS. Diferentes simulaciones para evaluar las predicciones del modelo bajo diferentes escenarios operativos mostraron que la operación secuencial por lotes con una duración de ciclo más corta o un mayor intercambio de volumen de líquido podría mejorar la velocidad específica de reducción de sulfato (s-SRR) y, por tanto, menos sólido se acumularía sin afectar la SRR. También predijo que el sistema podría operar en modo continuo con SRR comparable a la operación secuencial por lotes y con mayor s-SRR. En general, se demostró la selección y el crecimiento de H2-SRB y la maximización de la SRR a través de una operación secuencial por lotes junto con una buena descripción de los valores experimentales a través de un modelo matemático. Asimismo, se logró una buena aproximación para la implementación de un S-OMS para el monitoreo en tiempo real de la concentración de sulfuro.