Erijman_trat efluentes.pdf

Biotecnología y ambiente
Tratamiento de efluentes
Biotecnología ambiental vs. industrial
Variable
Biotec ambiental
Biotec industrial
Objetivos
Minimización de
nutrientes
Maximización
productividad
Bases
Catabolismo
Anabolismo
Biomasa
Mezcla (consorcios)
Cepas específicas
Tipo de proceso Continuo
Batch
Sustrato
Mezcla (residuos)
Puros y bien definidos
Optimización
Selección ecológica
Ingeniería genética
Ecología microbiana
1) Estructura de la comunidad
2) Potencial fenotípico
3) Función de la comunidad
4) Interrelaciones entre los miembros de
la comunidad (organización espacial e
intercambio de materiales) y de los
microorganismos con el ambiente
Concepto general
sustrato
transformación
Compuesto orgánico
(contaminante)
CELULA
aceptor de
electrones
• Oxígeno
• Nitrato
• Sulfato
• otros
Compuesto modificado
pero no completamente
eliminado
Sistemas
enzimáticos
mineralización
nutrientes
• Nitrógeno
• fósforo
• metales (trazas)
Contaminante destruído
formación de CO2 + H2O
Triángulo de la biodegradación
Cond
ambient
pH
Redox
Temperatura
Humedad
Nutrientes
BIODEGRADACION
Compuesto
Estructura
propiedades
Microorganismos
Que hay que eliminar de los efluentes?
• Compuestos orgánicos que consumen oxígeno
- degradan el cuerpo receptor
- interfieren con el balance de la vida acuática
• Compuestos tóxicos
• Organismos patógenos
- afectan la salud humana
Que hay que eliminar de los efluentes?
• Compuestos orgánicos que consumen oxígeno
- degradan el cuerpo receptor
- interfieren con el balance de la vida acuática
• Compuestos tóxicos
• Organismos patógenos
- afectan la salud humana
Eliminación de compuestos que
consumen oxígeno
• Compuestos orgánicos que consumen oxígeno
- degradan el cuerpo receptor
- interfieren con el balance de la vida acuática
Los tratamientos biológicos se basan
en la capacidad de autodepuración
Aumenta DBO
baja conc OD
Demanda Bioquímica de Oxígeno
(DBO)
La cantidad de oxígeno disuelto requerida por
microorganismos para estabilizar la materia orgánica
Ensayo estandarizado para
medir el grado de contaminación
Demanda Química de Oxígeno
(DQO)
La materia orgánica se degrada químicamente
utilizando un oxidante fuerte
Otro ensayo estandarizado para
medir el grado de contaminación
Catabolismo oxidativo
Semireacción:
e- + H+ 1/4 O2
1/2 H2O
Oxidación de materia orgánica:
CxHyOz+ 1/4 (4x+y-2z) O2
x CO2+ y/2 H2O
El problema está en la deficiencia de
oxígeno
Lagunas facultativas
De donde viene el oxígeno?
viento
oxígeno
oxígeno
efluente crudo
CO2, NH3, P
bacterias
oxígeno
algas
Sólidos
sedimentables
anaeróbico
– El oxígeno es producido por algas fotosintéticas e introducido por
aireación de la superficie
– El oxígeno es subsecuentemente utilizado por bacterias aeróbicas para
estabilizar (oxidar) la materia orgánica
Lagunas aireadas
De donde viene el oxígeno?
El oxígeno se introduce con aireación mecánica
Lagunas aeróbicas
El oxígeno se introduce con aireadores
Análisis de una laguna aeróbica
Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l
Tiempo de aireación del efluente = tiempo de crecimiento de microrganismos
Tiempo de retención hidráulico (τ) = tiempo de retención celular (θ)
Barros activados: el mismo
principio, más compacto
Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l
1. Mantener los sólidos (bacterias) en suspensión
2. Separar los sólidos (bacterias) del efluente tratado
3. Recircular los sólidos
Proceso de barros activados:
retención de biomasa
Cámara de
Sedimentador
aireación
Digestor
Recirculación
Leon
Purga
Proceso de barros activados
Digestor
Cámaras de
aireación
Sedimentador
Proceso de barros activados
Proceso de barros activados
Qingreso
Qing= Qegreso
Va, Xa,
Qrecirculación, Xr
Vs
Qegreso
Va
HRT =
Qing
Va iX a
SRT !
Vp iX p
Qpurga, Xp
Se basa en la separación de los tiempos de retención
hidráulico (HRT) del tiempo de retencíon celular (SRT)
Microbiología de barros activados
Las plantas de tratamiento reducen
la DBO
Qué queremos conocer de la comunidad
bacteriana en plantas de tratamiento?
Composición de microorganismos y su influencia en
el funcionamiento del ecosistema?
Activated sludge floc (CSLM)
Full scale industrial WWTP
Dynamic
nature ofdeactivated
sludge was
La estructura
las comunidades
demonstrated
bacterianas with
es dinDGGE
ámica
Wang et al.., 2010 J Appl Microbiol doi:10.1111/j.1365-2672.2010.04742.x
Qué queremos conocer de la comunidad
bacteriana en plantas de tratamiento?
Factores que regulan la estructura de la comunidad a
lo largo de la escala temporal y sus consecuencias
para el funcionamiento del ecosistema
Activated sludge floc (CSLM)
Full scale industrial WWTP
Eliminación de P y N
Ciclo del nitrógeno
N2
NO2 NO3 -
Nitrato como aceptor de electrones
Semireacción:
e- + 6/5 H++ 1/5 NO3-
1/10 N2 + 3/5 H2O
Proceso se nitrificación- desnitrificación
MLE
MLR (NO3-)
EFLUENTE
AFLUENTE (NH4+)
ANOXICO AEROBICO
RAS
Microbiología de la nitrificación
Azul: Nitrosospira spp.
NH4+
NO2-
Rojo: Nitrospira
NO2-
Schramm et al., Identification and Activities
In Situ of Nitrosospira and Nitrospira spp. as
Dominant Populations in a Nitrifying
Fluidized Bed Reactor (1998) Applied and
Environmental Microbiology, 64: 3480-3485
NO3-
Enhanced Biological Phosphorus
Removal (EBPR)
• La acumulación de P no es “luxury uptake”
• Es una reserva de energía
• PPi se trata posiblemente de una forma primitiva de mantener
enlaces de alta energía (anterior al ATP)
liberacion Pi
TOC
PO4-P
Acumulación
PHA
} ΔPi
PHA
ANAEROBICO
AEROBICO
Enhanced Biological P Removal
(EBPR)
Anaerobico
P ingreso
5 mg.l-1
liberación
de P
Anoxico y/o
aerobico
barro excedente
P uptake
P (anaerób)
15 mg.l-1
P (aerób)
< 1 mg.l-1
- PHB
- poli P
Enhanced Biological P Removal
(EBPR)
P es retenido por PAO y se elimina del sistema en con el barro
excedente
ANAEROBICO
EFLUENTE
AFLUENTE
ANOXICO AEROBICO
WAS (con exceso de P)
Polyphosphate accumulating
organisms (PAO)
EUBmix (green) and the rod-APAO probe Actino658 (red)
Bright-field MAR image showing that most
coccus-APAO (shown with squares) and a few
RPAO (shown with ellipses) seen in panel C
take up 33Pi aerobically after an anaerobic
preincubation with casaminoacids.
The coccus-APAO (yellow) take up labeled
oleic acid anaerobically.
Kong et al., Identity and Ecophysiology of Uncultured Actinobacterial Polyphosphate-Accumulating Organisms in Full-Scale Enhanced
Biological Phosphorus Removal Plant. Appl. Environ. Microbiol. (2005) 71: 4076-4085
Glycogen accumulating organisms
(GAO)
glucogeno
PHA
propionato
Meyer et al., Putative glycogen-accumulating
organisms belonging to the Alphaproteobacteria
identified through rRNA-based stable isotope
probing Microbiology (2006)152: 419-429
Anammox
Oxidación anaeróbica de amonio
NH4+
N2
anammox
NO2 NO3 -
Oxidación anaeróbica de amonio
Z Allg Mikrobiol. 1977;17(6): 491-3.
Mulder A, Van de Graaf AA, Robertson LA& Kuenen JG (1995)
Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized
bed reactor. FEMS Microbiol. Ecol. 16: 177-183
Oxidación anaeróbica de amonio
Annamox: aplicaciones biotecnológicas
Annamox: aplicaciones biotecnológicas
2NH4+ + 1.5O2 = NH4+ + NO2 - + H2O + 2H+
NH4+ + NO2- = N2 + 2H2O
2NH4+ + 1.5O2 = N2 + 3H2O + 2H+
Annamox: aplicaciones biotecnológicas
• 100% ahorro de fuente de
C (e.g. metanol)
• 50% ahorro de oxígeno
• 90% reducción de costos
operativos
• > 100% de disminución
de emisión de CO2
Annamox: aplicaciones biotecnológicas
500 kg N/d
Oxidación anaeróbica de amonio
Oxidación anaeróbica de amonio
Anammox: pathway metabólico
Involvement of a novel hydroxylamine oxidoreductase in anaerobic
ammonium oxidation. Biochemistry. 2000 39: 5405-12.
Anammoxosoma:propiedades de
la membrana
NATURE | VOL 419 | 17 OCTOBER 2002
Oxidación anaeróbica de amonio
M. Schmid et al., Candidatus "Scalindua
brodae", sp. nov., Candidatus "Scalindua
wagneri", sp. nov., two new species of
anaerobic ammonium oxidizing bacteria.Syst
Appl Microbiol. (2003) 26: 529-38.
Candidatus "Anammoxoglobus
propionicus" a new propionate oxidizing
species of anaerobic ammonium
oxidizing bacteria.Syst Appl Microbiol.
(2007) 30: 39-49
Oxidación anaeróbica de amonio
Oxidación anaeróbica de amonio
NATURE | VOL 422 | 10 APRIL 2003 |
Oxidación anaeróbica de amonio
www.anammox.com
Eliminación de fósforo
Primeras evidencias:
• AS Flujo pistón, alta carga, final anaeróbico y liberación de P
• La liberación de P se producía en anaerobiosis si había suficiente
DBO presente (formación de productos de fermentación)
• En condiciones aeróbica se podía producir la reincorporación de P
• Acumulación de polifosfato en PAO
• Ciclos de anaerobiosis/aerobiosis son esenciales
• Ciclos de anaerobiosis/aerobiosis seleccionan PAO (aerobios)
?
Otras tecnologías
(biofilms, membranas)
Tratamientos en biofilm
• Biofilm
– las bacterias en el biofilm
degradan compuestos
orgánicos
– biofilm desarrollan en
casi cualquier superficie
Tratamientos en biofilm
distribuidor rotativo
Lecho de relleno
Efluente
crudo
Efluente tratado
HRT= 8-20 minutos
Tratamientos en biofilm
Tratamientos en biofilm
Trickling filter
Planta depuradora Sudoeste
AYSA S.A.
Materiales de relleno
Sistemas híbridos: MBBR
Moving Bed Biofilm Reactor
Sistemas híbridos: MBBR
Sistemas híbridos: MBBR
Rotating Biological Contactors
(RBC)
Reactor Biológicos con Membranas
MBR
X
Reactor Biológicos con Membranas
MBR
Reactor Biológicos con Membranas
MBR
Reactor Biológicos con Membranas
MBR
sumergidas
exteriores
Reactor Biológicos con Membranas
MBR
Delphos, Ohio. Septiembre 2006
Volumen promedio: 15.106 l/d
Costo: U$S 37.000.000
Reactor Biológicos con Membranas
MBR
MBR para crucero de 5600 p.e.
64 membranas
Alemania, , año 2010
Reactor Biológicos con Membranas
MBR
Tratamiento anaeróbico
catabolismo oxidativo
Reacción redox donde la materia orgánica resulta
oxidada por un agente oxidante
CH3COOH + 2 O2
CH4 + 2 O2
CO2 + 2 H2O + 207 Kcal
CO2 + 2 H2O + 191 Kcal
catabolismo fermentativo
Consiste en la redistribución de electrones en la molécula
fermentada formándose como mínimo dos productos
(una forma más oxidada y una forma más reducida que el
compuesto original)
catabolismo fermentativo
CH3COOH
CO2 + CH4 + EFERM
(1)
CH4 + 2 O2
CO2 + 2 H2O + 191 Kcal
(2)
CH3COOH + 2 O2
2 CO2 + 2 H2O + EFERM + 191 Kcal
207 Kcal
EFERM = 16 Kcal/mol
catabolismo fermentativo
Eferm= 0.08 * Eoxid
¿Dónde está el 92% restante?
CH4
Tratamiento anaeróbico
Reading, UK
Utilización de DQO
aeróbico
anaeróbico
Tratamiento anaeróbico
CO2
(40-50%)
DQO (100%)
Biogas (CH4)
(70-90%)
DQO (100%)
reactor
aeróbico
barro
(50-60%)
efluente
(5-10%)
reactor
anaeróbico
barro
(5-15%)
efluente
(10-30%)
Upflow anaerobic sludge
bed (UASB)
Upflow anaerobic sludge
bed (UASB)
Leiner Santafesina de Gelatinas SA
Q: 3120 m3/d (9360 kg DBO/d)
Upflow anaerobic sludge
bed (UASB)
Reactor de circulación
interna (IC)
biogas
efluente
1er zona de
recuperación
de biogas
alimentación
Otras configuraciones
EGSB
AF
ABR
AC
Consideraciones finales
Aspectos históricos del tratamiento
de efluentes
1914
1994
1913 First laboratory experiments on activated sludge by Fowler,
Ardern and Lockett at University of Manchester, UK.
1916 First full-scale activated sludge plant at Worcester. Largescale tests in the US. First full-scale AS plant in US at Houston, TX.
1922 Activated sludge plant built at Soelleroed, Denmark.
1924 Pilot AS plant in Germany at Essen.
1926 Full-scale AS plant at Rellinghausen, Germany.
1927 Kessener brush aeration, Apeldoorn, the Netherlands.
1936 Denitrification used in Sheffield.
1964 Development of basis for consistent nitrification by Downing,
Painter and Knowles, WPRL, Stevenage, UK
1972 Biological phosphorus removal (EBPR) described by Barnard
in South Africa.
1970s Development of dynamic process computer models by WRc
and IAWPRC.
1990s Membrane biological reactors (MBR) developed in Japan
Fuente: P. F. Cooper. Historical aspects of wastewater treatment. En. Decentralised Sanitation and Reuse: Concepts, Systems
and Implementation.(2001) Edited by P. Lens, G. Zeeman and G. Lettinga. IWA Publishing
Aspectos históricos del automovil
1905 Curved Dash Oldsmobile
1994
•1908 Ford T - It used a planetary transmission , had a pedal-based control system.
•1932 Ford V-8 - Ford introduced their powerful Flathead V8
•1934 Bugatti Type 57 - A high-tech and refined automobile for the rich
•1934 Citroën Traction Avant - The first mass-produced front-wheel drive car, was
a technology masterpiece.
•1949 Oldsmobile 88 - Introduced the high-compression V8 engine to the masses
•1961 Jaguar E-type - The E-type set the standard for design and innovation
•1962 BMC ADO16 - This front wheel drive car dominated sales in the UK
•1962 Ferrari 250 GTO - The first supercar
•1964 Pontiac GTO - A high-performance model and back in just 10 years.
•1954 Chevrolet Corvette - An American masterpiece of automotive engineering.
•1969 Datsun 240Z- Paved the way for decades of Japanese strength
•1974 VW Golf - The exemplary modern compact car, with a square hatchback
body, transverse straight-4 engine, and room for five passengers.
•1977 Honda Accord sedan - Set the stage for today's upscale Asian sedans.
•1983 Chrysler minivans - The two-box minivan design
•1986 Ford Taurus- Mid-sized front wheel drive sedan with modern Computer
Assisted Design
•1992 Chrysler Concorde, Dodge Intrepid, Eagle Vision- These evolutionary styled
cars shaped the future of passenger cars in the 90's.
•1975 BMW 3-Series - A compact car that provides luxury and performance
•1993 Jeep Grand Cherokee - The archetypal upscale SUV with four-wheel drive,
V8 power, and a luxurious interior
Hacia adonde va el tratamiento
de efluentes?
1914
2010
1994
2020
Hacia adonde va el
tratamiento de efluentes?
Efluentes como fuente
renovable
• agua
+ Water Sci Technol 2007, 55 (1-2) 441-448
- www.sdcwa.org/manage/2005UWMP.phtml
• materiales : - fertilizantes
- bioplásticos
- energía