tratamiento anaerobio de aguas residuales aplicado

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.