actividad enzimática del lodo granular en reactor uasb tratando

BOLETÍN DEL CENTRO DE INVESTIGACIONES BIOLÓGICAS
VOLUMEN 39. NO. 3, 2005, PP. 293 - 299
UNIVERSIDAD DEL ZULIA, MARACAIBO, VENEZUELA
COMUNICACIÓN BREVE
ACTIVIDAD ENZIMÁTICA DEL LODO
GRANULAR EN REACTOR UASB TRATANDO
EFLUENTE LÁCTEO
Magaly Chávez, Rocío Tajada, Donaldo Mejías, Elsa Chacín
y Nola Fernández
Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA),
Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia, Apartado 526.
Maracaibo 4001, Venezuela. Correo electrónico: [email protected]
Resumen. Se determinó la actividad enzimática del lodo granular en
un reactor anaeróbico de manto de lodo de flujo ascendente (UASB)
bajo condiciones mesofílicas (37 ± 1°C), al tratar agua residual proveniente de una industria láctea. EL reactor se inoculó con un lodo granular proveniente de una industria cervecera, con un caudal de 2,3
mL/min y un THR de 24 horas y cargas orgánicas de 1 a 4
kgDQO/m3d. El monitoreo de la digestión se realizó a través de la determinación de las concentraciones de las exoenzimas: fosfatasa ácida
y alcalina con el porcentaje de remoción de la materia orgánica. Las
determinaciones enzimáticas se realizaron mediante kits colorimétricos comerciales y la alcalinidad total, pH y Demanda Química de Oxígeno se analizaron de acuerdo con la metodología estandarizada para
aguas residuales. La digestión en el reactor reveló que la actividad de
la enzima fosfatasa alcalina alcanzó valores de 100 UI y la ácida se
mantuvo alrededor de 4,4 UI, con un pH promedio de 7,8, indicando
una elevada actividad microbiana. También se alcanzó una remoción
de DQO del 76% hasta el final del período de tratamiento. La medición de la actividad enzimática resultó un parámetro eficaz y directo
en el monitoreo de la eficiencia de la digestión anaeróbica, y la estabilidad del rector tratando el efluente lácteo.
Palabras clave: Actividad enzimática, exoenzima, remoción de materia orgánica, reactor UASB.
Recibido: 11 Septiembre 2002 / Aceptado: 21 Noviembre 2005
Received: 11 September 2002 / Accepted: 28 November 2005
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Chávez et al.
[Bol. Centro Invest. Biol.
ENZYME ACTIVITY OF GRANULATED SLUDGE
IN AN UASB REACTOR TREATING DAIRY
EFFLUENT
Abstract. Enzyme activity of granulated sludge was studied in an
upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, under mesophilic
conditions (37 ± 1°C), to treat wastewater from a dairy industry. The
reactor was inoculated with granular sludge from a brewery with a
flow rate of 2.3 mL/min, hydraulic retention time of 24 hours, and organic loads from 1 to 4 kgCOD/m3d. The system was monitored by
determining exoenzyme concentrations of acidic and alkaline
phosphatase in relation to organic material removal (%). Enzymatic
determinations were carried out using commercial colorimetric kits,
and total alkalinity, pH and COD were analyzed according to standard
methodology for residual waters. Rector digestion revealed that the alkaline phosphatase enzyme reached values of 100 UI, and the
phosphatase acid remained about 4,4 UI. Average pH was 7.8, indicating high microbial activity. Also, COD removal averaged 76% to the
end of the treatment period. Enzyme activity was an easy and direct
parameter to measure in monitoring anaerobic digestion efficiency,
and reactor stability during treatment of dairy effluent.
Key words: Enzyme activity, exoenzyme, organic matter removed,
UASB reactor.
La digestión anaeróbica es ampliamente conocida como una
herramienta altamente eficaz para el tratamiento de efluentes; sin
embargo, es un proceso altamente complejo desde el punto de vista
microbiológico y extremadamente sensible a los cambios ambientales, tales como pH, temperatura, concentración de materia orgánica
y metales pesados (Lettinga et al. 1995). Es por ello, que el equilibrio
enzimático dentro de los reactores biológicos está sujeto a frecuentes
perturbaciones que conducen al fracaso del tratamiento (Lettinga et
al. 1995, Rincón et al. 2000).
Para que la digestión anaeróbica de los efluentes con una composición compleja represente una alternativa viable y práctica, es ne-
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Actividad enzimática en efluente lácteo
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cesario utilizar indicadores eficientes y de rápida determinación sobre la estabilidad del proceso (Yamaguchi 1991). Los parámetros de
medición convencionales, tales como la concentración de metano y
de ácidos grasos volátiles producidos durante la digestión anaerobia,
así como los cambios en el equilibrio de los iones carbonatos evidenciado con el registro del pH y de la alcalinidad total, están dirigidos a
la determinación de los productos finales del metabolismo (Yamaguchi 1991); sin embargo, estos indicadores representan mediciones
indirectas y finales de la actividad microbiana, por lo cual no permiten el tiempo necesario para realizar ajustes oportunos ante los inconvenientes causados por un cambio repentino en algunos de los
factores que pueden perturbar el equilibrio microbiano en el interior
del reactor biológico, por ejemplo, la composición del sustrato suministrado al reactor (Fang et al. 1995, Rincón et al. 2000).
La determinación enzimática en el lodo anaerobio se ha desarrollado como una medida directa de la actividad microbiana (Zhenglan y Lan 1990), puesto que dicha actividad es directamente proporcional a la tasa de hidrólisis del sustrato (Goel et al. 1998), lo cual
puede evidenciar los desajustes enzimáticos y proporcionar así la
oportunidad de evitar las interrupciones o retrasos en el tratamiento
de los efluentes (Ashley Hurst 1981, Yamaguchi et al. 1991, Goel et
al.1998).
Los efluentes producidos por la industria láctea se caracterizan
por la presencia de materia orgánica compleja y un pH inestable; se
produce en altas cantidades y actualmente está siendo objeto de intensa investigación puesto que conduce a frecuentes interrupciones
en el tratamiento anaerobio, de acuerdo con investigaciones realizadas en paises de clima templado (Gavala y Hospini 1996). Por lo tanto, el objetivo de esta investigación es determinar la actividad enzimática (fosfatasa ácida y alcalina) del lodo granular en un reactor de
manto de lodo en flujo ascendente (UASB) tratando un efluente
lácteo.
Se utilizó un reactor UASB con una capacidad de 4,5 L, de base
recta conectado a un colector de gas en la parte superior, empleado
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Chávez et al.
[Bol. Centro Invest. Biol.
para la medición del volumen del biogas por desplazamiento del
agua en un tanque abierto.
El reactor se mantuvo a una temperatura de 37 ± 1°C, se inoculó
con un lodo pregranulado mesofílico proveniente de una industria
cervecera y se le suministró el efluente producido por la industria
láctea con un caudal de 2,3 mL/min y un tiempo de retención hidráulico (TRH) de 24 horas, aplicando diferentes cargas orgánicas desde
1 a 4 kgDQO/m3d.
Se realizaron ensayos de demanda química de oxígeno (DQO)
de acuerdo con lo recomendado por el método estandarizado para la
estimación del porcentaje de remoción de la materia orgánica en el
efluente (APHA et al. 1992).
Las alícuotas de lodo se sometieron a sonicación durante 20 minutos a una potencia de 50/60 Hz y posteriormente se centrifugó a
3000 rpm durante 30 minutos; el sobrenadante obtenido se utilizó
para la determinación colorimétrica de la actividad de las enzimas
extracelulares, fosfatasa ácida (EC 3.1.3.2) y alcalina (EC 3.1.3.1)
mediante el uso de kits comerciales (Human M Colorimetrics Kits)
(Zhenglan y Lan 1990, Yamaguchi 1991, Goel et al. 1998). Los resultados obtenidos en este trabajo se procesaron mediante un análisis
de varianza de dos vías (ANOVA).
La mayor actividad enzimática correspondió a la fosfatasa alcalina (Fig. 1). Las diferencias observadas entre las actividades enzimáticas probablemente obedecen a la naturaleza de cada enzima y a
la composición del efluente lácteo, el cual presenta valores pH ligeramente alcalinos (promedios de pH 7,8), lo cual produce la inhibición de la fosfatasa ácida, manteniéndo ésta a niveles significativamente menores en comparación con los correspondientes a la alcalina. Por otra parte, el porcentaje de remoción de la materia orgánica
se mantuvo estable, con niveles promedios de 76,1% (Figs. 1 y 2);
este es un indicador de la aclimatización de los distintos microorganismos presentes en el lodo y del buen funcionamiento del sistema al
tratar el efluente lácteo.
Actividad enzimática en efluente lácteo
1 KgDQO/m3 d
2 KgDQO/m 3d
3 KgDQO/m 3 d
297
4 KgDQO/m 3 d
Fosfatasa Alcalina (UI)
140
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
120
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16
Porcentaje de Remoción (%)
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Tiempo (semanas)
Fosfatasa Alcalina (UI)
% Remoción
FIGURA 1. Actividad de la fosfatasa alcalina en relación con la remoción
1 KgDQO/m3 d
2 KgDQO/m3 d
3 KgDQO/m3d
4 KgDQO/m3 d
5
4
3
2
1
0
100
80
60
40
20
0
1
2 3
4
5 6
7
8 9 10 11 12 13 14 15 16
Tiempo (semanas)
Fosfatasa Acida (UI)
Porcentaje de Remoción (% )
Fosfatasa Acida (UI)
de materia orgánica del efluente lácteo.
Porcentaje de Remoción (%)
FIGURA2 . Actividad de la fosfatasa ácida en relación con la remoción de
materia orgánica del efluente lácteo.
Las concentraciones de las enzimas ensayadas se mantuvieron
estables, observándose ligeras fluctuaciones de los valores obtenidos debidos al incremento de la carga orgánica de 1, 2, 3 y 4
kgDQO/m3d y cambios en la composición del efluente lácteo (Figs.
1 y 2), los microorganismos necesitan actuar sobre los compuestos
solubles de alto peso molecular para convertirlos en compuestos capaces de atravesar la membrana celular para ser metabolizados, por
lo cual el incremento y disminución de las actividades de estas
exoenzimas dependerá del sustrato presente en el reactor.
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Chávez et al.
[Bol. Centro Invest. Biol.
Los resultados obtenidos sugieren que las actividades enzimáticas permiten establecer una línea base, como referencia, para el sistema anaerobio del tratamiento, puesto que resultaron suficientemente sensibles a las diferentes cargas orgánicas aplicadas. De la
misma manera, el porcentaje de remoción, también se considera un
parámetro clásico para el monitoreo del tratamiento biológico (Lettinga et al.1995).
Los resultados reportados en este trabajo concuerdan con las investigaciones de Gavala y Hopsini (1996) y Goel et al. (1998), quienes describieron el comportamiento de estas enzimas en condiciones
anaerobias en relación con los parámetros convencionales, obteniendo valores elevados tanto en la actividad de la fosfatasa alcalina
como en el porcentaje de remoción.
Ashley y Hurst (1981) y Zhenglan y Lan (1990) reportaron
que las enzimas extracelulares, fosfatasa ácida y alcalina, han resultado indicadores sensibles a las variaciones en la composición
del efluente tratado en reactores UASB. Así mismo, el uso de las
enzimas liberadas por los microorganismos presentes en el reactor
anaerobio se pueden considerar indicadores oportunos de los cambios ocurridos en el tratamiento de efluentes de alta carga órganica
producidos por la industria lactea (Yamaguchi et al. 1991) para
monitorear la estabilidad de la digestión anaeróbica. Dentro de las
enzimas reportadas, las fosfatasas se han descrito como indicadores ideales para las pruebas realizadas, las cuales funcionan eficientemente en comparación con los convencionales para mantener
la eficiencia en el digestor. La inestabilidad que pueda presentarse
en el reactor, en estados tempranos, puede ser detectada a través de
altas concentraciones de estas enzimas, con antelación a la acumulación de ácidos grasos y la disminución del porcentaje de remoción de la materia orgánica.
La medición de la actividad enzimática resultó un parámetro
eficaz y directo en el monitoreo de la eficiencia de la digestión anaerobia, y la estabilidad del reactor tratando el efluente lácteo.
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LITERATURA CITADA
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ZHENGLAN J.