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Reactor híbrido de biopelícula en lecho móvil para la biodegradación de benzotriazol e hidroxibenzotiazol en aguas residuales

846

01/03/2023

Formación
Reactor híbrido de biopelícula en lecho móvil para la biodegradación de benzotriazol e hidroxibenzotiazol en aguas residuales

 

  • Autores: Mazioti, Aikaterini A.; Stasinakis, Athanasios S.; Psoma, Aikaterini K.; Thomaidis, Nikolaos S.; Andersen, Henrik Rasmus
  • Extractado y Traducido por WATERXPERT


La creciente demanda de un tratamiento de aguas residuales más eficiente está dando lugar a nuevas tecnologías para el tratamiento como así como la mejora de los existentes.

El IFAS es un cultivo híbrido, (MBBR + F Activos) por una parte hay microorganismos adheridos al material soporte y por otra se encuentran, en cohabitación, flóculos biológicos en suspensión.
 
En este caso, se requiere una recirculación externa similar a los procesos convencionales de fangos activos, para mantener los MLSS en los reactores.
 
Esta tecnología es aplicable a procesos donde se busque la reducción de la materia orgánica y a procesos con reducción del nitrógeno.
 
 
Las principales ventajas de un sistema de este tipo en comparación con en procesos por fangos activos,  son:
 
  • Un menor requisito de volumen de proceso,
  • La mayor capacidad de nitrificación y
  • La menor carga de lodos en el secundario clarificador.
 
 
 
Hasta hace unos pocos años,  solo unos pocos estudios se han centrado en la capacidad de los sistemas IFAS para eliminar micro contaminantes de aguas residuales, y uno  de ellos, realizado en Suiza a cierta escala,    examinó la eliminación de 20 microcontaminantes, reportando que este tipo de procesos  puede contribuir significativamente a la eliminación de compuestos específicos.
 
Otros autores han investigado la eliminación de diversos  productos farmacéuticos en aguas residuales hospitalarias a través de plantas  piloto de diversa configuración incluyendo  varias etapas, constando de reactores de  Fangos activos + IFAS + MBBR  en serie y pudieron llegar a conclusiones interesantes acerca de la cinética de biodegradación en diferentes biorreactores.
 
A este respecto lo benzotriazoles (BTR) y los benzotiazoles (BTH) son dos grupos de microcontaminantes que se encuentran en aguas residuales de actividades domésticas e industrials.
 
Los BTR se encuentran en productos inhibidores de la corrosión, líquidos refrigerantes, líquidos anticongelantes y detergentes para lavavajillas, mientras que los BTH se utilizan como  aceleradores y estabilizadores en la industria fotográfica, etc.
 
Ambos grupos son altamente solubles en agua y altamente polares, lo que lleva a su persistencia en el ciclo del agua.
 
La eliminación parcial de algunos de ellos en los sistemas  de fangos activados  se  ha documentado a través de diversos estudios   y experimentos de biodegradación en laboratorio.
 
Mazioti et al. comparó la capacidad de los sistemas de fangos activos y MBBR puros para la eliminación de seis de estos compuestos (BTR; 4TTR; 5TTR; xylytriazole, XTR; 5-chlorobenzotriazole, CBTR; 2- hidroxibenzotiazol, OHBTH) e informaron que la biomasa adherida tenía un mayor potencial de biodegradación en comparación con el fangos activos.
 
El objetivo del presente estudio fue investigar el potencial de un sistema hibrido IFAS  a escala de laboratorio, que consta de dos biorreactores en serie, para eliminar compuestos BTR, 4TTR, 5TTR, XTR, CBTR y OHBTH de las aguas residuales domésticas.
 
Se monitorearon las concentraciones de los compuestos objetivo en diferentes puntos del sistema híbrido IFAS y se observaron las eficiencias de eliminación y se compararon con los datos aportados  en un estudio previo usando sistemas AS + MBBR.
 


Materiales y métodos

 
Se instaló y operó en el laboratorio un sistema de flujo continuo a pequeña escala, a temperatura ambiente constante.
 
 
El sistema IFAS constaba de dos biorreactores aeróbicos (BC1 y BC2) conectados en serie, con un volumen de trabajo de 3 L cada uno.
 
Además se incluyó un tanque de sedimentación, con volumen de 1 L, siguió al BC2, desde el cual se recirculaba fangos al BC1.
 
Cada biorreactor contenía carriers (tipo K3, AnoxKaldnes), con una tasa de llenado del 30%.
 
El fango activado sembrado en los reactores se recogió de una planta EDAR  situada en campus universitario en Mytilene, Grecia, mientras que el material relleno  se tomo de un sistema MBBR a escala de laboratorio que había sido operado durante seis meses y que disponía de una biopelícula Madura.
 
El tiempo de  residencia hidráulica (HRT) fue de 12,4 ± 0,6 h (para cada reactor), proporcionando una carga orgánica del sustrato igual a 0,64 ± 0,39 kg/m3 dia para BC1  y 0,11 ± 0,09  kg/m3 dia para BC2.
 
En cuanto a la edad del fango está se mantuvo en los 8 d, eliminando diariamente la misma cantidad de lodo de ambos reactores.
 
El  sistema se alimentó con aguas residuales sin tratar recolectadas de la EDAR indicada más arriba.
 
Por otra parte los biorreactores se mantuvieron en condiciones aeróbicas y garantizando la mezcla adecuada de la biomasa a través de un suministro constante de aire, lo que aseguró que el oxígeno disuelto (OD) siempre fue superior a 4 mg/l.
 
En primer término, se llevó a cabo un período de aclimatación de 27 días, durante el cual se examinaron y analizaron con frecuencia las tasas de eliminación de los contaminantes convencionales (Demanda Química de Oxígeno, DQO; NH4-N), sólidos suspendidos, biomasa adherida y los valores de pH, temperatura (T) y OD para controlar la estabilidad y eficiencia del sistema.
 
Posteriormente, los compuestos objetivo se agregaron al agua residual sin tratar usando soluciones de metanol para obtener una concentración de entrada estable diaria de aproximadamente 20 µg /l para cada uno de ellos
 
Para evaluar la eliminación de los compuestos diana en diferentes biorreactores se tomaron 12 muestras durante una semana desde diferentes puntos de muestreo del sistema.
 


Experimentos y ensayos

 
Para determinar la contribución de cada tipo de biomasa en la eliminación de los compuestos objetivo, se realizaron experimentos y se calculó la cinética de biodegradación.
 
Por esta razón, cuatro días después de la finalización  de la aportación de los microcontaminantes al sistema se tomaron muestras de fango y de los bioportadores, de ambos tanques y se realizaron experimentos por lotes separados para cada uno de los dos tipos de biomasa.
 
Por otra parte, para identificar los productos de biotransformación de los compuestos objetivo en el sistema, se realizaron experimentos por lotes, aireados utilizando biomasa de BC1, donde se observó la mayor parte de la biodegradación.
 
La mezcla de fangos activados  y bioportadores de BC1 se transfirió a siete botellas de vidrio diferentes a un volumen final de 200 ml. Cada compuesto objetivo se añadió en un frasco diferente a una concentración inicial de 10 mg/l (se agregaron aproximadamente 0,2 mL de metanol), mientras que también se preparó un matraz de control que contenía biomasa y metanol en una cantidad igual a la agregada en otros reactores.
 
Todas las botellas se cubrieron con papel de aluminio y se agitaron constantemente en una placa de agitación. La duración total del  experimento fue de 24 h. Se tomaron tres muestras (10 mL cada una) de cada reactor a las 0, 6 y 24 h.
 
Métodos analíticos
El análisis de DQO, NH4-N, NO3-N, Sólidos Suspendidos Totales (TSS) y Sólidos Suspendidos de Licor Mixto  (MLSS) se realizaron de acuerdo con los métodos estándar.
 
La temperatura, el OD y el pH se midieron utilizando instrumentos portátiles. La cuantificación de la biomasa adherida se realizó retirando el biofilm de bioportadores y midiendo la diferencia de peso seco.
 
Para la investigación de los compuestos objetivo, las muestras se filtraron se  almacenaron adecuadamente hasta el momento el análisis.
 
El análisis de los compuestos se  baso  en métodos desarrollados previamente  e incluyó extracción en fase sólida (SPE) y  análisis cromatográfico  de líquidos.
 
Se lograron recuperaciones satisfactorias y precisión del procedimiento analítico; donde los valores  obtenidos oscilaron entre 17 ng/l (BTR) y 125 ng/l (CBTR).
 
Para la investigación de los productos de transformación, las muestras se filtraron inicialmente a través de filtros de fibra de vidrio y se  almacenaron hasta su análisis
 
Para ello se utilizó un  sistema de cromatografía líquida de ultra alta resolución (UHPLC)  junto  a  espectrómetro de masas de alta resolución utilizado para la identificación de productos de transformación.
 


Resultados y discusión

 
El sistema IFAS  se mantuvo estable durante todo el período experimental (34 d) y logró una suficiente eliminación de DQO disuelto (87%) y NH4-N (98%).
 
La  mayor parte de los  contaminantes convencionales se eliminaron en BC1, mientras que el uso de BC2 mejoró aún más la calidad del agua tratada  disminuyendo las concentraciones promedio de DQO disuelta  y NH4-N a 24 mg/l y 1 mg/l, respectivamente.
 
Como era de esperar debido a la recirculación de lodos, las concentraciones de lodos activados fueron casi la misma en ambos biorreactores. Por otro lado, el aumento de la carga orgánica en BC1 resultó en una mayor concentración de biomasa adherida (1023 ± 165 mg /l) en comparación con la observada en BC2 (610 ± 198 mg/l).
 
El sistema  exhibió disminuciones significativas de todas las concentraciones de compuestos objetivo presentes  en el agua residual incluso desde el primer día de su adición, resultando valores de eliminación medios que oscilan entre 41% (4TTR) y 88% (OHBTH)
 
La disminución observada de la concentración de microcontaminantes se debió principalmente debido a la biodegradación ya que se sabe que estos compuestos no se degradan abióticamente en la EDAR y son pobremente adsorbidos en la  biomasa.
 
A excepción de 4TTR, todos los productos químicos investigados se eliminaron en BC1, mientras que el  segundo biorreactor (BC2) no mejoró  de forma significativa su eliminación.
 
La eliminación de la mayoría de los compuestos objetivos  en BC1 donde había una mayor concentración de DQO indica el papel del co-metabolismo en la  biodegradación de compuestos.
 
El cometabolismo se puede describir como la descomposición de microcontaminantes por enzimas que se producen para la degradación de otras subestaciones primarias, mientras que los microcontaminantes no se utilizan como carbono y fuente de energía para el crecimiento microbiano.
 
En cuanto al compuestos  4TTR, parece que la biomasa desarrollada  en BC2 tenía la capacidad de biodegradarlo, mientras que esta propiedad no estaba presente en BC1.
 
 
La comparación de la eficiencia de eliminación de los compuestos objetivo en el sistema hibrido  con los previamente observado en sistemas MBBR y AS puros mostró que el sistema actual logró resultados estadísticamente más altos  para 5 de los 6 productos químicos examinados.
 
Solo se eliminó 4TTR, de forma  más eficiente,  en un sistema MBBR puro que operó bajo condiciones de carga orgánica más baja (0.25 kg/m3 d) en la  primera etapa y 0,05 kg/m3 d en la segunda etapa) y con el doble de tiempo de retención hidráulica.
 
Cabe mencionar  que cuando se compara el rendimiento  del sistema Hibrido  con el de un sistema MBBR puro operado bajo condiciones similares de carga orgánica y condiciones HRT, se observa un aumento estadísticamente significativo de la eliminación en  5 de los 6 compuestos objetivo, lo que indica la ventaja del sistema híbrido  frente a un sistema MBBR puro operado en las mismas condiciones.
 
Finalmente, el sistema híbrido logró eficiencias de eliminación estadísticamente más altas para XTR y 5TTR y una eliminación similar para el otro compuesto, en comparación con un sistema  fangos activados  operado con un tiempo retención hidráulica dos veces superior  y la misma concentración de biomasa  en suspensión.
 
 
Teniendo en cuenta que la concentración de biomasa en diferentes sistemas era diferente, siguiendo la orden decreciente: HMBBR > AS > MBBR, la eliminación específica expresada como μg de microcontaminante por gramo de biomasa por día se calculó para cada compuesto y se comparó con los valores informados por Mazioti et al.  para sistemas MBBR y AS puros.
 
No se observaron diferencias estadísticas (excepto para XTR) en la capacidad de la biomasa HMBBR y la biomasa AS para eliminar los compuestos objetivo.
 
Por otro lado, la biomasa desarrollado en sistemas MBBR puros mostró una eliminación específica más alta estadísticamente  para la mayoría de los de contaminantes objetivos (Figura 3b), indicando la presencia de bacterias más eficientes   en  la biopelícula  del MBBR  puro en comparación con el sistema HMBBR.
 


Conclusiones

 
El sistema híbrido eliminó parcialmente todos los microcontaminantes objetivo. La biodegradación cometabólica fue el principal mecanismo de degradación.
 
El fango activado como la película  desarrollada sobre material relleno contribuyeron a la biodegradación en diferente medida.
 
El rendimiento del proceso propuesto fue similar al de un sistema MBBR puro de baja carga y más eficiente que los sistemas de fangos activados  y MBBR que operan bajo las mismas condiciones de carga orgánica y HRT.
 
La biomasa del reactor híbrido y la biomasa de los sistemas tradicionales por fangos activados no mostraron diferencias en cuanto la tasa de eliminación específica para los compuestos objetivo; mientras que la biomasa cultivada en sistemas MBBR puros fue más eficiente.
 
 

WATERXPERT

Fuente waterxpert.com

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