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

Laburpena

SO2 és un contaminant perjudicial per al medi ambient que s’emet principalment per la combustió de combustibles fòssils i, entre els problemes associats, hi ha la pluja àcida i la formació de material particulat. El tractament de SO2 pot ser realitzat per mitjà del procés SONOVA/ENSURE que té com a repte el tractament de les emissions de gasos de combustió amb l’objectiu de la recuperació de sofre, cosa que podria permetre’n la valorització en altres sectors econòmics. Consta de tres etapes globals: absorció de gasos, conversions biològiques i recuperació de sofre elemental. Aquesta tesi es va centrar en l’etapa biològica i, en particular, en la reducció de sulfat a sulfur utilitzant H2 com a donador d’electrons i CO2 com a font de carboni. En aquest sentit, aquest treball es va desenvolupar en tres facetes principals. La primera va consistir en l’avaluació experimental de la reducció biològica de sulfat. S’hi van fer estudis preliminars per promoure l’enriquiment de la reducció hidrogenotròfica de sulfat utilitzant un inòcul d’un reactor UASB a gran escala que tractava aigües residuals riques en sulfat d’una fàbrica de polpa i paper. La població microbiana es va enriquir a H2-SRB mitjançant l’operació seqüencial de dos reactors de tanc agitat (STR) i un reactor gas-lift (GLR) alimentats amb H2 i CO2, en què la producció de metà es va evitar, però la velocitat de reducció de sulfat (SRR) obtinguda va ser baixa. Per tant, el GLR va ser configurada en operació seqüencial per lots amb l’objectiu d’augmentar la SRR, en què no es va produir metà, i només es va produir acetat a baixes SLR; així, es va aconseguir una operació òptima i estable a un SLR de 902 mg S-Sulfat L-1 d-1 amb una eficiència d’eliminació de sulfat de 93±7 % (p/p). La segona part d’aquesta tesi va consistir en la construcció d’un sistema de monitorització de sulfur en línia (S-OMS) en què va ser possible mesurar sulfur total dissolt (TDS) en un interval de 1.5 a 30.400 mg TDS L-1, i les proves de repetibilitat i reproductibilitat van mostrar una adequada desviació estàndard relativa (RSD) a l’interval 1.8-5.3 %. Els resultats del GLR monitoritzant nou cicles van mostrar que els mesuraments de l’S-OMS es van correlacionar satisfactòriament amb les mesures d’un elèctrode selectiu d’ions de sulfur comercial. L’últim pas d’aquesta tesi va consistir en el desenvolupament, el calibratge i la validació d’un model matemàtic per descriure l’operació del GLR. El model va ser calibrat i les anàlisis estadístiques per a la validació del model van mostrar bons resultats per a sulfat i acetat amb menor precisió per a TDS, cosa que s’explica per les grans desviacions experimentals dels valors de TDS. Diferents simulacions per avaluar les prediccions del model sota diferents escenaris operatius van mostrar que l’operació seqüencial per lots amb una durada de cicle més curta o un intercanvi més gran de volum de líquid podria millorar la velocitat específica de reducció de sulfat (s-SRR) i, per tant, menys sòlid s’acumularia sense afectar la SRR. També va predir que el sistema podria operar de manera continuada amb SRR comparable a l’operació seqüencial per lots i amb més s-SRR. En general, es va demostrar la selecció i el creixement de H2-SRB i la maximització de la SRR mitjançant una operació seqüencial per lots juntament amb una bona descripció dels valors experimentals mitjançant un model matemàtic. Així mateix, es va aconseguir una bona aproximació per a la implementació d’un S-OMS per al monitoratge en temps real de la concentració de sulfur.