Tesis Doctoral F.rosenkranz

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  • Doctorado en Biotecnologa (Chile)

    Doctorado en Ingeniera Qumica y Ambiental (Espaa)

    Estudio del comportamiento de reactores anaerobios

    de tipo ASBR frente a compuestos de difcil

    degradacin y/o efectores negativos

    Nombre: Francisca Rosenkranz Fernndez

    Profesores: Rolando Chamy Maggi

    Juan Manuel Lema Rodicio

    Septiembre de 2013

  • RESUMEN

    RESUMEN

    El siguiente documento corresponde a una tesis para optar al grado de Doctor en

    Biotecnologa y Doctor en Ingeniera Qumica y Ambiental. La propuesta est

    referida a una investigacin sobre el Estudio del comportamiento operacional y

    poblacional de reactores anaerobios de tipo ASBR para el tratamiento de un agua

    residual con presencia de un compuesto de difcil degradacin y/o efectores

    negativos. Esta investigacin fue desarrollada en el Laboratorio de Biotecnologa

    Ambiental de la Escuela de Ingeniera Bioqumica de la Pontificia Universidad

    Catlica de Valparaso y en la Escuela Tcnica Superior de Ingeniera de la

    Universidad de Santiago de Compostela.

    Una alternativa interesante de tratamiento de aguas residuales corresponde a la

    digestin anaerobia, debido a que presenta una serie de ventajas que hacen

    atractivo su desarrollo, entre la que destaca la produccin de biogs como fuente de

    energa. Entre las tecnologas disponibles en procesos de digestin anaerobia se

    encuentran los reactores de tipo ASBR (Anaerobic sequencing batch reactor), que se

    caracterizan por la gran flexibilidad de operacin que presentan. Una aplicacin

    interesante de estos reactores corresponde al tratamiento de compuestos de difcil

    degradacin, compuestos que generan ciertas caractersticas inhibitorias a los

    microorganismos encargados de las diferentes etapas de la degradacin de la

    materia orgnica durante la digestin anaerobia. Estudios previos realizados

    tratando fenol (Donoso et al., 2009), demuestran una gran eficiencia de estos

    reactores para el tratamiento de aguas residuales que presentan compuestos con

    caractersticas inhibitorias.

    Debido a que estos reactores pueden estar sometidos a diferentes perturbaciones

    como son presencia de compuestos inhibitorios (fenol) u otro efecto negativo, como

    la variacin de algn parmetro operacional (temperatura), es atractivo estudiar,

    adems de determinar las condiciones ms adecuadas de operacin, los cambios

    poblacionales ante estas diferentes perturbaciones para lograr una mayor

    estabilidad al proceso.

  • RESUMEN

    Esta investigacin permitir evaluar los cambios en la estructura de la comunidad

    microbiana en lazo con el tipo de sustratos, las perturbaciones fisicoqumicas,

    asociado al rendimiento o comportamiento del reactor.

    Se evalu el rendimiento de un reactor ASBR ante la disminucin de temperatura en

    periodos cortos de operacin con respecto al tiempo de ciclo y estructura de la

    comunidad arqueas. Se consideraron cuatro temperaturas: 37, 31, 25 y 20 C.

    Con el fin de mantener similares eficiencias de eliminacin, la duracin de la etapa

    de reaccin tuvo que ser aumentada de 24 h a 37C hasta 48, 72 y 96 h cuando la

    temperatura se redujo a 31, 25 y 20C, respectivamente. La disminucin de

    temperatura dio como resultado una disminucin de la tasa de produccin de

    biogs, un aumento de la acumulacin de cido propinico y una reduccin de

    porcentaje de eliminacin de materia orgnica. Se observ que la tasa de

    degradacin fue ms rpida durante las primeras 2-3 h de funcionamiento a las

    cuatro diferentes temperaturas, con valores de 1.18 g DQOg SSV-1d-1 a 37 C y a

    0.77, 0.54 y 0.50 g DQOg SVV-1d-1 a 31, 25 y 20 C, respectivamente.

    Los resultados experimentales fueron ajustados de acuerdo al modelo ADM2 en dos

    etapas (acidognesis y metanogniesis). Se calcularon las tasas de crecimiento

    mximas y las constantes de afinidad de la biomasa acidognica y metanognica

    (M1, M2, KS1, KS2 respectivamente). A los 37, 31 y 25C, el modelo describi

    adecuadamente el perfil de las variables ms relevantes (concentracin de sustrato,

    la produccin de biogs y el pH). Sin embargo, a 20C, el modelo no fue capaz de

    reproducir la produccin de biogs. A esa temperatura, el flujo de biogs producido

    era muy bajo y muy probablemente la exactitud del medidor de flujo no era

    suficiente.

    Los perfiles de comunidades de archaeas fueron determinados por DGGE. La mayor

    diversidad se observ a 37C, con un ndice de Shannon de 2,96 0,02. Cuando la

    temperatura se redujo a 25C, la diversidad de archaeas se redujo drsticamente

    (2,300,01). Los microorganismos hidrogenotrficos fueron ms afectados que

    acetoclasticos debido al equilibrio (solubilidad de H2), cintica (tiempo de retencin

  • RESUMEN

    hidrulica) y los efectos de funcionamiento (concentracin de cidos grasos

    voltiles).

    Otro de los objetivos fue evaluar el comportamiento del reactor ASBR ante la

    presencia de un compuesto inhibitorio como fenol. El fenol es un contaminante

    comn de aguas residuales de diversos procesos industriales, incluidas las refineras

    petroqumicas y de produccin de compuestos qumicos. Debido a su toxicidad para

    la actividad microbiana, puede afectar a la eficiencia de los procesos de tratamiento

    biolgico de aguas residuales. En sta investigacin se estudio la eficiencia de un

    reactor (ASBR) alimentado con concentraciones crecientes de fenol (120 a 1200

    mgL-1) y se determin la relacin entre la capacidad de degradacin de fenol y la

    estructura de la comunidad microbiana. Hasta una concentracin de alimentacin

    de 800 mgL-1, la velocidad de degradacin inicial fue aumentando constantemente

    con la concentracin de fenol (hasta 180 mgL-1d-1) y la capacidad de eliminacin se

    mantuvo relativamente constante alrededor de 27 mg de fenol eliminadog SSV-1d-

    1. La operacin en concentraciones ms altas (1200 mgL-1) dio lugar a un proceso

    eficiente, pero ms lento: la capacidad de eliminacin y la velocidad de degradacin

    inicial disminuy a 11 mg de fenol eliminadog SSV-1d-1 y 154 mgL-1d-1,

    respectivamente. Adems es importante destacar que un modelo con una ecuacin

    de tipo sigmoidal, es capaz de reproducir adecuadamente la desaparicin de fenol y

    el tiempo de retardo de inicio de degradacin de ste compuesto.

    Segn lo revelado por el anlisis de DGGE, el aumento de la concentracin de fenol

    indujo modificaciones estructurales dependientes del nivel de la composicin de la

    comunidad, que sugiere un proceso de adaptacin. El aumento de la concentracin

    de fenol 120-800 mgL-1 tuvo un menor efecto sobre la estructura de la comunidad,

    mientras que se observaron drsticos cambios estructurales cuando se aument la

    concentracin desde 800 a 1200 mgL-1, incluyendo el enriquecimiento de las

    especies bacterianas ms tolerantes. Los umbrales de las alteraciones estructurales

    y funcionales fueron similares, lo que sugiere una correlacin entre el rendimiento

    de degradacin y estructura de la comunidad. El Anlisis de Correspondencia

    Cannica (CCA) confirm que el rendimiento funcional ASBR se debe esencialmente

    a las caractersticas especficas de la comunidad. A mayor concentracin, los

  • RESUMEN

    ribotipos mas abundantes y probablemente involucrados en el xito la degradacin

    de fenol a 1200 mgL-1, fue afiliado a la familia Anaerolineaceae.

  • AGRADECIMIENTOS

    AGRADECIMIENTOS

    Son tantas las personas que han sido parte de este proceso, que es difcil

    demostrarles en tan pocas palabras lo importante que son.

    Primero que todo, quiero dedicarle este logro a mi Padre, por ser mi fuerza

    impulsora a lo largo de mi vida. A pesar de que no ests fsicamente aqu, te siento

    ms presente que nunca. Gracias por luchar tanto por Maca y por mi, por hacer sto

    posible, por ser un ejemplo de padre y por amarnos tanto.

    A mi Madre, por su apoyo y preocupacin, por confiar siempre que esto sera

    posible.

    Macarena, por ser m sustento, mi complemento. Esto es un logro de las dos, eres

    parte fundamental en todo esto. Gracias por el apoyo, paciencia y tu

    incondicionalidad.

    No puedo dejar de mecionar a mis dems hermanos Carlos, Pablo, Mara Isabel y

    Christian por todo su cario y preocupacin.

    Le doy gracias a mis profesores, Rolando Chamy, por confiar tanto en mi, por no ser

    solo un profesor, sino que un ejemplo a seguir a quien estimo y admiro mucho.

    A Juan Lema, le agradezco por su gran acogida en el Biogrup en Espaa, gracias por

    el apoyo que siempre me brind, incluso a distancia, por su paciencia y gran

    enseanza.

    Gonzalo Ruiz, gracias por el impulso a atreverme a ir dos aos a Europa, por

    mostrarme su enseanza de vida y ser un amigo.

    Gracias a Marta Carballa, Lea Cabrol y Andrs Donoso, de quienes aprend mucho,

    fueron parte muy importante en este trabajo. Es una suerte que estuvieran

    presentes en mi camino, soy una previligiada.

    Tambin agradezco a Pablo Araya por ser parte importante en esta etapa.

  • AGRADECIMIENTOS

    ii

    A mi familia espaola, no s como lo hubiera logrado sin ustedes. Uno de los

    mejores logros de esta etapa fue haberlos conocido. Mis grandes amigos Rebe, Ivn,

    Natalia, Sara, Leticia, Mara, Dafne y Denisse. Especialmente a Santi por su apoyo

    incondicional y cario. La distancia no ser un problema entre nosotros, siempre