tratamiento anaerobio de aguas residuales aplicado
DESCRIPTION
Ingeniería ambientalTRANSCRIPT
Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales
María Consuelo Díaz Báez
Cátedra Internacional de Ingeniería 2008 - Salud Pública y Saneamiento AmbientalUniversidad Nacional de Colombia
Bogotá, D. C. Junio 17 – Julio 11, 2008
Historia de la Microbiología Anaerobia
• 1776 - Volta describe por primera vez la producción de metano en los pantanos
• 1868 - Béchamp muestra el origen microbiano del gas metano
• 1875 - Popoff reporta producción de metano en ambientes diferentes a los pantanos
• 1890 - Omelianski estudiando la degradación de la celulosa plantea la producción de H 2 a partir de acetato y butirato, y la formación de metano por la reducción del CO 2:
4 H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
Historia de la Microbiología Anaerobia
• 1910 - Söehngen confirma los hallazgos de Omelianski. Muestra la reducción del CO2 como uno de los mecanismos de la formación de metano, y plantea otro mecanismo de formación, la descarboxilación del acetato
• 1930 - Buswell plantea un proceso de dos etapas a las que denomina “Acida” y “Metánica”. Señala la importancia de los ácidos grasos volátiles (AGV) como intermediarios del proceso, y se adhiere a la tesis de Söehngen
• 1936 - Barker explica la formación de metano como un proceso de:
Oxidación: CH 3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8HReducción: 8H + CO 2 → CH4 + 2 H2O_____________________________________________
NETO: CH3COOH → CH4 + CO2
• 1948 - Buswell utiliza trazadores radioactivos ( 14C) para demostrar la formación de metano a partir del acetato
• 1950 - Hungate desarrolla técnicas microbiológicas para el aislamiento de bacterias anaerobias, pero no logra el crecimiento de bacterias utilizadoras de propionato, butirato u otros ácidos orgánicos.
• 1967 - Bryant estudia la fermentación metánica a partir d el etanol:
∆∆∆∆G (Kcal)*Especie 1 CH3CH2OH + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2O 1.42Especie 2 2H2 + 1/2 CO2 → 1/2 CH4 + H2O -15.63Especie 3 CH3COO- + H+ → CH4 + CO2 - 6.77_________________________________________________________NETO: CH3CH2OH → 3/2 CH4 + 1/2 CO2 - 20.98
Historia de la Microbiología Anaerobia
*Energía Libre a pH 7.0 y 25°C
Historia de la Microbiología Anaerobia
• Los resultados de Bryant permitieron concluir: – 2/3 del metano generado proviene de la
descarboxilación del acetato y 1/3 por la reducción del dióxido de carbono
– Existe una asociación sintrófica entre las bacterias productoras y los metanógenosutilizadores de H 2
METANOGENOS• Hidrogenofílicos• Acetoclásticos
BACTERIA• Hidrólíticas• Acidogénicas• Acetogénicasproductoras de H2
DOMINIO ARCHAEA
Sustratos Utilizados por las Arqueas Metanogénicas
Acetato: barkeri, mazei, soehngenii
CO: barkeri, thermoautotrophycum
Formiato: formicicum, ruminantum, smithii, vanniellivoltae, mobile, thermolitotrophycus, cariaci,marisnegri, thermophilicum, hungate
H2/CO2: bryantii, thermoautotrophycum, formicicum,ruminantum, smithii, arboriphilus, vannielli,voltae, maripaludis, mazei, thermophilicum, thermoautotrophycum, mobile, marisnigri,barkeri, limicola, fervidus
Metanol: mazei, barkeri, tindarus
Metilaminas: barkeri, mazei, tindarus
Enzimas y Coenzimas relacionadas con Metanógenos
PROPIONATOBUTIRATO
ACETATO H2 + CO2 ACETATO
CH4
HIDROLISIS
FERMENTACION
ACETOGENESISHOMOACETOGENESIS
METANOGENESIS
Bacterias Fermentativas
BacteriasAcetogénicasProductoras
de H2
Metanógenos Acetoclásticos Metanógenos Hidrogenofílicos
Digestión Anaerobia de Materia Orgánica
Polímeros Complejos
Monómeros
ACETATOH2 + CO2
Bacterias CelulolíticasHidrolíticas
Acetógenos
Principales Reacciones Químicas en la Digestión Anaerobia
• Glucosa + 4H2O → CH3COO- + 4H+ + 4H2
• Glucosa + 2H2O → C4H7O2 + 2HCO3- + 2H2 + 3H+
• Butirato + 2H2O → 2CH3 COO- + H+ + H2
• Propionato + 3H2O → CH3 COO- + HCO3- + H+ + H2
• 4H2 + HCO3- + H+ → CH4 + 3H2O
• Acetato + H2O → CH4 + HCO3- + H+
Metanogénesis Hidrogenofilica
Metanogénesis Acetoclástica
Sulfato-reducción
SO4-2
APS PAPS
SO3-2
H2S
SO3-2
H2S
AMPH2 2e-
2H+
3H2
6H+
6e- 6e-
NADPH2e-
NADPPAP
ReducciónDesasimilativa
ReducciónAsimilativa
Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales – Estudio Básico
María Consuelo Díaz Báez
Cátedra Internacional de Ingeniería 2008 - Salud Pública y Saneamiento AmbientalUniversidad Nacional de Colombia
Bogotá, D. C. Junio 17 – Julio 11, 2008
CONTAMINACIÓNDEL RÍO BOGOTÁ
Corredor industrial Bogotá-Soacha: industrias de alimentos, químicos, textiles, bebidas, curtiembres, papeleras
40% de estas industrias cuentan con plantas de tratamiento.
La mayoría de las plantas están diseñadas solo para remoción de materia orgánica.___________________________________________________
Cátedra Internacional de Ingeniería 2008 - Salud Pública y Saneamiento AmbientalUniversidad Nacional de Colombia
Bogotá, D. C. Junio 17 – Julio 11, 2008
CLOROFENOLES
� Pertenecen a la lista de contaminantes prioritarios de la EPA.
2,4,6 TCP
PCP
� Compuestos altamente tóxicos
� No polares, liposolubles (aumenta con el número de sustituyentes halogenados).
� Persistentes, bioacumulables
� Compuestos de Interes Sanitario: 2,4 Diclorofenol, 2,4,6 Triclorofenol, y el Pentaclorofenol
___________________________________________________Cátedra Internacional de Ingeniería 2008 - Salud Pública y Saneamiento Ambiental
Universidad Nacional de ColombiaBogotá, D. C. Junio 17 – Julio 11, 2008
TRATAMIENTO
FotolisisVolatilizaciónOxidación
ANAEROBIO AEROBIO
Dehalogenación Reductiva:policlorados.
TOXICIDAD?
Compuestos Orgánicos
Halogenados
TratamientoFisicoquímico
TratamientoBiológico
___________________________________________________Cátedra Internacional de Ingeniería 2008 - Salud Pública y Saneamiento Ambiental
Universidad Nacional de ColombiaBogotá, D. C. Junio 17 – Julio 11, 2008
Ciclo de los Halógenos
Compuestos Orgánicos
Compuestos Orgánicos
Halogenados
HalogenaciónBiogénico Geológico Industrial
DehalogenaciónMicrobiana
F, Cl, Br, I
___________________________________________________
Origen de Compuestos Orgánicos Halogenados
• Natural:– Biógeno: bacterias, hongos, líquenes, esponjas marinas,
gusanos, y mamíferos– Geológico: erupciones volcánicas, incendios forestales
• Antropogénico:–– ProducciProduccióón industrial : n industrial :
• desinfección con cloro, procesos de blanqueamiento• Solventes• Biocidas
Producción Industrial de Solventes Clorados
Producción Natural de Solventes Clorados
Produccion natural de compuestos orgánicos halogenados
Mas de 3800 compuestos orgánicos halogenados naturales identificados
Producción Natural Estimada
Algas Marinas: fuente natural de tetra-cloro-eteno y tri-cloro-eteno
Oxidación de ácidos humicos del suelo
Tricloroacetico, cloruro de vinilo, clorometano y cloroformo
Hongos, plantas y algas marinas
Plantas y Hongos: fuente natural de cloro-metano
Cloro-metano: 4,000,000 t/a
Cloroformo: 700,000 t/a
Dehalogenación
• Remoción de halógenos (generalmente cloro) de una molécula orgánica– Generalmente se lleva a cabo mediante un proceso anaerobio conocido como dehalogenaciónreductiva
R–Cl + 2e– + H+ ––> R–H + Cl–
– Puede ocurrir vía: • Dehalorespiración (anaerobia)• Cometabolismo (aerobico)
Biodegradación de Solventes Clorados
Aeróbica: Sustrato de Crecimiento
Anaeróbica: Sustrato de Crecimiento
Solvente Clorado es Sustrato Primario (fuente de carbono y energía)
Aeróbica: CooxidaciónSolvente Clorado es Oxidado Fortuitamente durante la Oxidación Biológica de otro Sustrato Primario
Solvente Clorado es Sustrato Primario (fuente de carbono y energía) durante respiración anóxica y fermentación
Anaeróbica: Cometabolismo
Solvente Clorado se Reduce Fortuitamente por Enzimas Reductivas o Cofactores Reducidos durante el uso de otro Sustrato
Anaeróbica: Halorespiración
Solvente Clorado actúa como Aceptor de Electrones acoplado a la utilización de otro Donador de Electrones para el crecimiento (deshalogenación reductiva)
Sustancias Orgánicas Halogenadas
PesticidasSolventesAislantes eléctricosRetardantes de llamaLubricantes XX
XXXX
cc
cc cc
cc cc
cc
TóxicosResistentes a degradaciónBioacumulables
Fenilos Policlorados
Sustancias Orgánicas Halogenadas
Biodegradación
Organismos modificadosProceso Anaerobio-Aerobio
Proceso Anaerobio
Co-metabolismoGeneración de energíaRespiración anaerobiaClCl
ClCl
ClCl
OO
cc
cc cc
cc cc
cc
HH
2,4,6-triclorofenol (TCP)
Dehalogenación HidrolíticaDehalogenación Reductiva
Árbol Filogenético
Ruta Metabólica
HH
ClCl
ClCl
ClCl
OO
cc
cc cc
cc cc
cc
ClCl
ClCl
OO
cc
cc cc
cc cc
cc
HH
ClCl
OO
cc
cc cc
cc cc
cc
HH
ClCl
OO
cc
cc cc
cc cc
cc
HH
2,4,6-TCP 2,4-DCP
4-CP
2-CP
Cambio de condicionesDisponibilidad de sustratoConcentración de clorofenoles
Dehalogenación en Bio-reactores
Consorcios adaptadosParámetros cinéticos
DehalogenantesSensibles
Soporte
Dehalogenación en Bio-reactores
Reactor UASB
Gránulos (biomasa)Gas producido
Salida de gasSalida de gas
Salida de lSalida de lííquidoquido
AlimentaciAlimentacióónn
CARACTERISTICAS DEL INCARACTERISTICAS DEL INÓÓCULOCULO
0
20
40
60
80
100
120
LODO 1 LODO 2 LODO 3 LODO 4
Log
N¼
bact
eria
s /g
SS
V
BFG BFL BSRA BSRL BSP BSB BMH BMA
Principales Grupos FisiolPrincipales Grupos Fisiolóógicos presentes en gicos presentes en 4 lodos anaerobios 4 lodos anaerobios
CARACTERISTICAS DEL INCARACTERISTICAS DEL INÓÓCULOCULO
SÓLIDOS DE LOS 4 LODOS ANAEROBIOS
0,8
0,9
0,11
0,42
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
g D
DO
met
/g S
SV
*d
1 2 3 4
LODO
ACTIVIDAD METANOGÉNICA DE los 4 LODOS ANAEROBIOS
PARÁMETRO LODO 1 LODO 2 LODO 3 LODO 4STT (g/l) 52.86 99.33 40.92 37.25STF (g/l) 29.97 38.03 19.56 15.71STV (g/l) 22.89 61.30 21.36 21.54SST (g/l) 14.75 51.85 25.32 35.69SSF (g/l) 4.99 19.71 9.72 25.78SSV (g/l) 9.76 32.14 15.60 9.91SSV/SST 0,66 0,62 0,62 0,28
Curva de Producción de Metano
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30
Tiempo (h)control positivo tratamiento con lub 0,12%Lineal (control positivo) Lineal (tratamiento con lub 0,12%)
Pc
Pt
% Actividad (tratamiento) = P 2/P1 * 100
% Inhibición = 100 - % Actividad
Actividad Metanogénica Acetoclástica
Promedio: 0,87 g CH 4-DQO/g SSV
C.V: 4,59
BIODEGRADABILIDAD
BALANCE DE DQO LODO GRANULAR 2a. ETAPA
0100200300400
0 5 10 15 20 25 30 35
TIEMPO (días)
DQ
O (
mg/
l)
DQOCH4 DQOAGV DQOs
Balance de DQO – Lodo Granular
Carga (g DQO/g SSV: 1.22 Biodegradabilidad (%): 86
TOXICIDAD?
• Los estudios realizados muestran que compuestos como el 2,4,6-Triclorofenol (TCP) y el Pentaclorofenol inhiben la actividad metanogénica acetoclástica.
•La estabilidad del proceso biológico depende de la actividad metabólica de las diferentes poblaciones involucradas en el proceso.
•La presencia de sustancias tóxicas puede ser nociva para algunas de las poblaciones lo cual puede perturbar la estabilidad del consorcio microbiano.
•La toxicidad de compuestos orgánicos halogenados es un fenómeno ampliamente reportado, en Colombia no se ha dimensionado adecuadamente.
BIODEGRADACION ANAEROBIA
PolímerosProteínas Polisacáridos
MonómerosAzucares, aminoácidos, péptido
H2 + CO2 Acetato
PropionatoButirato
CH4 + CO2
h
1 1 1
2 23
4 4
ConsorcioMetanogénico
h: enzimas hidrolíticas1: bacterias fermentativas2: bacterias acetogénicas sintróficas3: bacterias homoacetogénicas4: bacterias metanogénicas
TOXICIDAD ?
LODO + MEDIO BASAL
LODO + MEDIO BASAL + ACETATO
LODO + MEDIO BASAL + ACETATO + TOXICO
ENSAYOS DE TOXICIDAD
Tóxicos2,4,6-TriclorofenolPentaclorofenol
Ensayos de Toxicidad Anaerobia
Inoculación Condiciones Anaerobias Incubación
Análisis del Tóxico - HPLC
Pentaclorofenol - PCP
EFECTO INHIBITORIO DEL PENTACLOROFENOL
y = 4,7815x - 4,5266
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
PCP mg/l
% Inhibición
CI50=11,4 ppmPromedio: 0,043 mMC:V = 15,34 %Máximo: 0,058 mMMínimo: 0,028 mM
PRODUCCION DE METANO A DIFERENTES CONCENTRACIONES DE PCP
0
10
20
30
40
50
0 5 10 15 20 25 30
Tiempo (h)
Volúmen de
Metano (m
L)
Control 3mg/l 5 mg/L 8 mg/L
11 mg/L 14 mg/L
2,4,6-TriclorofenolPRODUCCIÓN DE METANO A DIFERENTES
CONCENTRACIONES DE TCP
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100 120 140
Tiempo (h)
Volúmen de Metano
(ml)
control 20 mg/l 40 mg/l 60 mg/l 80 mg/l
100 mg/l 120 mg/l
EFECTO INHIBITORIO DEL TRICLOROFENOL
y = 1,1818x - 47,013
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
30 40 50 60 70 80 90 100
TC P mg/l
% Inhibición
CI50 =82.01
39,78 mg/L116. 5 mg/L82.01 mg/LTCP
0.94 mg/L8.01 mg/L11.4 mg/LPCP
NOEC ENCONTRADA
CI50REPORTADA
CI50 ENCONTRADA
PCP > TCP para las metanogénicas acetoclásticas
PCP= 11.4 mg/L
TCP= 82.01 mg/L.
Ensayos de Dehalogenación
Fuente de Carbono:Piruvato
Medio Mínimo de Sales:NH4ClNaClNaH2PO4
KH2PO4
MgCl2
Solución de Elementos Traza
Agente Reductor:Na2S
Indicador de Anaerobiosis:Resarzurina
2,4,6-TCP (50 mg/L)
EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD DEHALOGENANTE
Sedimentos del Río BogotáExpuestos a contaminantes
tóxicos
ENSAYOS EN MICROCOSMOS
Sedimentos+
Agua Río + TCP
Sedimentos+
Medio Mineral Enriquecido+ TCP
Selección y Caracterización FisiológicaDel Consorcio Microbiano
EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD DEHALOGENANTE
Lodos de un Reactor UASB
ENSAYOS EN MICROCOSMOS
Lodos+
Medio Mineral Enriquecido+ TCP
Selección y Caracterización FisiológicaDel Consorcio Microbiano
DEHALOGENACIÓN DEL TCP POR EL CONSORCIO MICROBIANO METANOGENICO PRESENTE EN SEDIMENTOS
Figura 1. Dehalogenación reductiva del 2,4,6-TCP po r el Consorcio Microbiano Metanogénico
0102030405060
0 2 4 6 8 10 12
TIEMPO (DIAS)
TC
P (
ppm
)
TCP 2,4-DCP 4-CP FENOL
0
0,04
0,08
0,12
0,16
0,2
0,24
0 5 10 15
Días
gram
os-mol/L
2-CP
4-CP
2,4-DCP
2,4,6-TCP
Control Negativo
DEHALOGENACIÓN DEL TCP POR EL CONSORCIO MICROBIANO METANOGENICO PRESENTE EN EL LODO DEL REACTOR UASB
Desaparición completa del TCP en:18 días
pH:
Temperatura:
Donadores de electrones:
Concentración de NaCl:
CARACTERIZACION FISIOLOGICA
4, 20, 30, 37 y 45 °C
5, 6, 7, 8, 9
0.03,1,5,10,y 20 (%p/v)
Lactato EtanolAcetato/Formato AcetatoAcetato/ hidrógeno
EFECTO DE LA TEMPERATURA
Figura 2. Efecto de la temperatura sobre la dehalogenación del 2,4,6-TCP
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 10 20 30 40 50
Temperatura (°C)
Tasa
de
deha
loge
naci
ón
(1/d
)
EFECTO DEL pH
Figura 3. Efecto del pH sobre la Figura 3. Efecto del pH sobre la Figura 3. Efecto del pH sobre la Figura 3. Efecto del pH sobre la dehalogenación del 2,4, 6-TCPdehalogenación del 2,4, 6-TCPdehalogenación del 2,4, 6-TCPdehalogenación del 2,4, 6-TCP
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
4 5 6 7 8 9 10
pH
Tasa
de
deha
loge
naci
ón (1
/d)
EFECTO DEL NaCl
Figura 4. Efecto de la concentración de NaCl sobre la Tasa de Deahalogenación
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20
Concentración de NaCl (% w/v)
Tasa
de
deha
loge
naci
ón
(mg/
L/dí
a)
DONADORES DE ELECTRONES
DONADORES ALTERNOS DE ELECTRONES
0 1 2 3 4 5
LACTATO
ACETATO-FORMATO
ACETATO
ACETATO-HIDROGENO
PIRUVATO
ETANOL
Tasa máxima de dehalogenación
Lodo Anaerobio GranularCaracterización del Lodo
•Sedimentabilidad•Índice Volumétrico de Lodos•Granulometría•Sólidos Suspendidos Totales•Sólidos Suspendidos Volátiles
Caracterización del Lodo
4.41 mL/gÍndice Volumétrico de Lodos
19. g/LSólidos Suspendidos Fijos
75. g/LSólidos Suspendidos Volátiles
86 g/LSólidos Suspendidos Totales
ValorValorParParáámetrometro
Velocidad de Sedimentación
1,2 mm → 1.8 mm
Índice Volumétrico de Lodos
Sólidos Suspendidos Fijos
Sólidos Suspendidos Volátiles
Sólidos Suspendidos Totales
ParParáámetrometro
2.25mL/g
9 g/L
84 g/L
93.g/L
ValorValor FinalFinal
2,7 m/h → 8.28 m/h
Tamaño Promedio del Gránulo
Caracterización del Lodo
Inicial
Final
Ensayos a nivel de Reactor de Laboratorio
Tanque deTanque deEfluenteEfluente
ReactorReactor
Tanque deTanque deCalentamientoCalentamiento
Recolector deRecolector deGasGasBombaBomba
PeristPerist áálticaltica
Tanque de Tanque de AlimentaciAlimentaci óónn
Ensayos a Nivel de Reactor
Llenado con ARS (NaHCO3 1000 mg/L)
Inoculación con Lodo (500 mL)
Alimentación1.15 L/d2.03 gDQO/L*dTRH : 36 h
Descenso del TRH36 h32 h24 h
24 h
Inyección de 2,4,6-TCP
5 mg/L
10 mg/L20 mg/L30 mg/L40 mg/L50 mg/L60 mg/L70 mg/L80 mg/L
Primer Ensayo de Dehalogenación
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
82 85 87 90 92 95 98 100
103
106
109
112
Días
gra
mos-mol
2,4,6-TCP
2,4-DCP
4-CP
2-CP
TCP Entrada
TCP Inyecctado
TCP EntradaTCP Inyectado
2,4,62,4,6--TCPTCP2,42,4--TCPTCP44--CPCP22--CPCPTCP Entrada
TCP Inyectado
2,4,62,4,6--TCPTCP2,42,4--TCPTCP44--CPCP22--CPCP
10
20
40
60
80
Fenol <> Pérdidas
Segundo Ensayo de Dehalogenación
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
138
141
144
147
149
152
155
158
161
164
167
170
173
176
Días
gra
mos
-mol
2,4,6-TCP
2,4-DCP
4-CP
2-CP
TCP Entrada
TCP Inyecctado
10
25
40
55
6070
MuestraMuestra
Aislamiento DNA TotalAislamiento DNA Total
PCR 16s PCR 16s rDNArDNA
DGGEDGGE
Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE)
Dinámica de la Comunidad BacterianaDinámica de la Comunidad Bacteriana
Resultados DGGE
MIMIArrArrArrArrArrArr
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
82 85 87 90 92 95 98 100
103
106
109
112
Días
gra
mos-mol
2,4,6-TCP
2,4-DCP
4-CP
2-CP
TCP Entrada
TCP Inyecctado
5510102020
4040
6060
Resultados DGGE
MIMIArrArrArrArrArrArr551010202040406060
ConclusionesConclusiones
Los resultados obtenidos permitieron concluir que es posible adaptar un lodo anaerobio a la presencia del 2,4,6-TCP sin que se altere la remoción de DQO soluble (>80%) hasta una concentración máxima de 75 mg/L.
Aunque el 2,4,6-TCP inhibe la actividad metanogénica los microorganismos permanecen viables y pueden reactivarse fácilmente al suspender el compuesto tóxico, manteniendo una buena producción de metano y remoción de DQO.
El triclorofenol induce modificaciones en la estructura de la comunidad microbiana del lodo, no obstante, estos cambios no alteran su capacidad de remoción de DQO y producción de metano.