Producció de biopolímers amb cultius bacterians mixtes. Comparació de tres reactors discontinus seqüencials (SBR) amb diferents condicions operacionals

La producció de biopolímers (polihidroxialcanoats (PHA) i substàncies polimèriques extracel·lulars (EPS)) a nivell industrial, resulta una nova àrea d’investigació que recull diverses disciplines, entre elles les Ciències Ambientals. Aquest projecte final de carrera amb el títol: “Producció de biopolímers amb cultius bacterians mixtes”, s’ha desenvolupat sota la supervisió de la directora de projecte Dra. María Eugenia Suárez Ojeda del Departament d’Enginyeria Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i s’ha dut a terme per l’estudiant Jordi Pérez i Forner de la Llicenciatura de Ciències Ambientals, Facultat de Ciències de la UAB, en el Departament d’Enginyeria Química de la mateixa universitat. L’objectiu d’aquest projecte ha estat produir biopolímers simultàniament amb l’eliminació de fòsfor i matèria orgànica en aigües residuals per obtenir un residu final amb un alt valor afegit. Aquests biopolímers reuneixen les característiques necessàries per a poder competir amb els plàstics convencionals i així, reduir l’elevat consum del petroli i la generació de residus no biodegradables. En aquest projecte s’ha dut a terme la posta en marxa d’un reactor discontinu seqüencial (SBR) per a l’acumulació de biopolímers amb cultius bacterians mixtes. Diferents investigadors han estudiat que aquests tipus de cultius bacterians arriben a nivells de fins el 53-97% [Pijuan et al., 2009] de contingut de biopolímers a la biomassa, sometent als microorganismes a diferents situacions d’estrés ja sigui per dèficit de nutrients o per variacions en les fases de feast-famine (festí-fam). Durant el projecte, s’ha realitzat el monitoratge del reactor alimentat amb una aigua sintètica, elaborada en el laboratori, amb les característiques d’un aigua residual provinent de la industria làctica. S’ha sotmès als microorganismes a diferents condicions operacionals, una d’elles amb limitació de fòsfor com a nutrient i una tercera condició amb una variació a les fases feast-famine. D’altra banda, com a segon objectiu, s’ha analitzat el contingut de biopolímers a la biomassa de dos SBRs més, del grup de recerca Bio-GLS del Departament d’Enginyeria Química de la UAB, alimentats amb diferents fonts de carboni, glicerol i àcids grassos de cadena llarga (AGCLL), per observar les influències que té el tipus de substrat en l’acumulació de biopolímers. Els resultats obtinguts en la primera part d’aquest projecte han estat similars als resultats d’altres investigadors [Pijuan et al., 2009; Guerrero et al., 2012]. S’ha determinat que sotmetre als microorganismes a situacions d’estrés té un efecte directe pel que fa a l’acumulació de biopolímers. També s’ha observat com al mateix temps que acumulaven aquests compostos, els microorganismes desenvolupaven la seva tasca de depurar l’aigua residual, obtenint al final del cicle una aigua amb un baix contingut en matèria orgànica i altres contaminants com amoni i fòsfor, en aquest cas. En la segona part del projecte, s’ha observat com el tipus de substrat té un efecte directe pel que fa a l’acumulació de biopolímers i també a l’activitat metabòlica dels microorganismes. Per tant, s’ha conclòs que la producció de biopolímers mitjançant la depuració d’aigües residuals es una via d’investigació molt prometedora pel que fa als resultats obtinguts. Alhora que es tracta un residu, s’obté una producte residual amb un alt valor afegit que pot ser utilitzat per la producció de bioplàstics 100% biodegradables.

Effect of impeller type and mechanical agitation on the mass transfer and power consumption aspects of ASBR operation treating synthetic wastewater

The effect of flow type and rotor speed was investigated in a round-bottom reactor with 5 L useful volume containing 2.0 L of granular biomass. The reactor treated 2.0 L of synthetic wastewater with a concentration of 800 mgCOD/L in 8-h cycles at 30 degrees C. Five impellers, commonly used in biological processes, have been employed to this end, namely: a turbine and a paddle impeller with six-vertical-flat-blades, a turbine and a paddle impeller with six-45 degrees-inclined-flat-blades and a three-blade-helix impeller. Results showed that altering impeller type and rotor speed did not significantly affect system stability and performance. Average organic matter removal efficiency was about 84% for filtered samples, total volatile acids concentration was below 20 mgHAc/L and bicarbonate alkalinity a little less than 400 mgCaCO(3)/L for most of the investigated conditions. However, analysis of the first-order kinetic model constants showed that alteration in rotor speed resulted in an increase in the values of the kinetic constants (for instance, from 0.57 h(-1) at 50 rpm to 0.84 h(-1) at 75 rpm when the paddle impeller with six-45 degrees-inclined-flat-blades was used) and that axial flow in mechanically stirred reactors is preferable over radial-flow when the vertical-flat-blade impeller is compared to the inclined-flat-blade impeller (for instance at 75 rpm, from 0.52 h(-1) with the six-flat-blade-paddle impeller to 0.84 h(-1) with the six-45 degrees-inclined-flat-blade-paddle impeller), demonstrating that there is a rotor speed and an impeller type that maximize solid-liquid mass transfer in the reaction medium. Furthermore, power consumption studies in this reduced reactor volume showed that no high power transfer is required to improve mass transfer (less than 0.6 kW/10(3) m(3)). (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Water Treatment Plant Sludge Discharge to Wastewater Treatment Works: Effects on the Operation of Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor and Activated Sludge Systems

This experiment examined the effects of the discharge of water treatment plant (WTP) sludge into the following three types of wastewater treatment systems: a pilot-scale upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, a pilot-scale activated sludge system, and a full-scale activated sludge sequencing batch reactor (SBR). The UASB reactor received 50 mg of suspended solids ( SS) of WTP sludge per liter of wastewater in the first phase, and, in the second phase, it received 75 mg SS/L. The pilot-scale activated sludge system received 25 and 50 mg SS/L in the first and second phases, respectively. The full-scale WWTP ( SBR) received approximately 74 mg SS/L. The results of the experiments showed that, despite some negative effects on nitrification, there were positive effects on phosphorus removal, and, furthermore, there was the addition of solids in all systems. Water Environ. Res., 82, 392 ( 2010).

Enrichment of a PHA producing microbial community in a continuous bioreactor setup

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are biosynthetic polyesters, biodegradable and biocompatible making them of great interest for industrial purposes. The use of low value substrates with mixed microbial communities (MMC) is a strategy currently used to decrease the elevated PHA production costs. PHA production process requires an important step for selection and enrichment of PHA-storing microorganisms which is usually carried out in a Sequencing Batch Reactor (SBR). The aim of this study was to optimize the PHA accumulating culture selection stage using a 2-stage Continuous Stirrer Tank Reactor (CSTR) system. The system was composed by two separate feast and famine bioreactors operated continuously, mimicking the feast and famine phases in a SBR system. Acetate was used as carbon source and biomass seed was highly enriched in Plasticicumulans acidivorans obtained from activated sludge. The system was operated under two different sets of conditions (setup 1 and 2), maintaining a system total retention time of 12 hours and an OLR of 2.25 Cmmol/L.h-1. An average PHB-content of 3.3 % wt was obtained in setup 1 and 4.8% wt in setup 2. Several other experiments were performed in order to better understand the continuous system behaviour, using biomass from the continuous system. With the fed-batch experiment a maximum of 8.1% PHB was stored and the maximum substrate uptake and specific growth rates obtained in the growth experiment (1.15 Cmol Cmol-1.h-1 and 0.53 Cmol Cmol-1.h-1) were close to the ones from continuous system (1.12 Cmol Cmol-1.h-1 and 0.59 Cmol Cmol-1.h-1). The microbial community was characterized trough microscopic visualization, Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) analysis and Fluorescent in situ hybridization (FISH). The last studied performed mimicked the continuous system by building up a SBR system with all the same operational conditions while adding an extra acetate dosage during the 12 h cycle, simulating the substrate passing from the feast to the famine reactors under continuous operation. It was shown that possibly the continuous system was not able to efficiently select for PHB storing organisms under the operational conditions imposed, although the selected culture was capable of consuming the substrate and grow fast. This main conclusion might have resulted from two major factors affecting the system performance: the ammonium concentration in the Feast reactor and the amount of substrate leaching from the Feast to the Famine reactor.

Biological nutrient removal in SBR technology: from floccular to granular sludge

Biological nutrient removal has been studied and applied for decades in order to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. However, more anthropogenic uses and the continued demand for water have forced the facilities to operate at their maximum capacity. Therefore, the goal of this thesis is to obtain more compact systems for nutrient removal from domestic wastewater. In this sense, optimization and long-term stabilization of high volume exchange ratios reactors, treating higher volumes of wastewater, have been investigated. With the same target, aerobic granular sludge was proposed as a reliable alternative to reduce space and increase loading rates in treatment plants. However, the low organic loading rate from low-strength influents (less than 1 Kg COD•m-3d-1) results in slower granular formation and a longer time to reach a steady state. Because of that, different methodologies and operational conditions were investigated in order to enhance granulation and nutrient removal from domestic wastewater.

SBR technology for wastewater treatment: suitable operational conditions for a nutrient removal

Actualment, la legislació ambiental ha esdevingut més restrictiva pel que fa a la descàrrega d'aigües residuals amb nutrients, especialment en les anomenades àrees sensibles o zones vulnerables. Arran d'aquest fet, s'ha estimulat el coneixement, desenvolupament i millora dels processos d'eliminació de nutrients. El Reactor Discontinu Seqüencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en anglès, és un sistema de tractament de fangs actius que opera mitjançant un procediment d'omplerta-buidat. En aquest tipus de reactors, l'aigua residual és addicionada en un sol reactor que treballa per càrregues repetint un cicle (seqüència) al llarg del temps. Una de les característiques dels SBR és que totes les diferents operacions (omplerta, reacció, sedimentació i buidat) es donen en un mateix reactor. La tecnologia SBR no és nova d'ara. El fet, és que va aparèixer abans que els sistema de tractament continu de fangs actius. El precursor dels SBR va ser un sistema d'omplerta-buidat que operava en discontinu. Entre els anys 1914 i 1920, varen sorgir certes dificultats moltes d'elles a nivell d'operació (vàlvules, canvis el cabal d'un reactor a un altre, elevat temps d'atenció per l'operari...) per aquests reactors. Però no va ser fins a finals de la dècada dels '50 principis del '60, amb el desenvolupament de nous equipaments i noves tecnologies, quan va tornar a ressorgir l'interès pels SBRs. Importants millores en el camp del subministrament d'aire (vàlvules motoritzades o d'acció pneumàtica) i en el de control (sondes de nivell, mesuradors de cabal, temporitzadors automàtics, microprocessadors) han permès que avui en dia els SBRs competeixin amb els sistemes convencional de fangs actius. L'objectiu de la present tesi és la identificació de les condicions d'operació adequades per un cicle segons el tipus d'aigua residual a l'entrada, les necessitats del tractament i la qualitat desitjada de la sortida utilitzant la tecnologia SBR. Aquestes tres característiques, l'aigua a tractar, les necessitats del tractament i la qualitat final desitjada determinen en gran mesura el tractament a realitzar. Així doncs, per tal d'adequar el tractament a cada tipus d'aigua residual i les seves necessitats, han estat estudiats diferents estratègies d'alimentació. El seguiment del procés es realitza mitjançant mesures on-line de pH, OD i RedOx, els canvis de les quals donen informació sobre l'estat del procés. Alhora un altre paràmetre que es pot calcular a partir de l'oxigen dissolt és la OUR que és una dada complementària als paràmetres esmentats. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen d'una aigua residual sintètica utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de l'estudi de l'efecte del nombre d'alimentacions, la definició de la llargada i el número de fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha aplicat l'estratègia d'alimentació esglaonada a dues aigües residuals diferents: una procedent d'una indústria tèxtil i l'altra, dels lixiviats d'un abocador. En ambdues aigües residuals es va estudiar l'eficiència del procés a partir de les condicions d'operació i de la velocitat del consum d'oxigen. Mentre que en l'aigua residual tèxtil el principal objectiu era eliminar matèria orgànica, en l'aigua procedent dels lixiviats d'abocador era eliminar matèria orgànica i nitrogen. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen i fòsfor d'una aigua residual urbana utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de la definició del número i la llargada de les fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha analitzat la influència del pH i la font de carboni per tal d'eliminar fòsfor d'una aigua sintètica a partir de l'estudi de l'increment de pH a dos reactors amb diferents fonts de carboni i l'estudi de l'efecte de canviar la font de carboni. Tal i com es pot veure al llarg de la tesi, on s'han tractat diferents aigües residuals per a diferents necessitats, un dels avantatges més importants d'un SBR és la seva flexibilitat.

A comparison of two bench-scale anaerobic systems used for the treatment of dairy effluents

The objective of this work was to compare two anaerobic reactor conflgurations, a hybrid upflow anaerobic sludge blanket (UASBh) reactor and an anaerobic sequencing batch reactor with immobilised biomass (ASBBR) treating dairy effluents. The reactors were fed with effluent from the milk pasteurisation process (effluent 1-E1) and later with effluent from the same process combined with the one from the cheese manufacturing (effluent 2-E2). The ASBBR reactor showed average organic matter removal efficiency of 95.2% for E1 and 93.5% for E2, while the hybrid UASB reactor showed removal efficiencies of 90.3% and 80.1% respectively.

Ethanol addition as a strategy for start-up and acclimation of an AnSBBR for the treatment of landfill leachate

This study evaluated the ethanol addition as a strategy for start-up and acclimation of a pilot scale (1300 L) anaerobic sequencing batch biofilm reactor (AnSBBR) for the treatment of municipal landfill leachate with seasonal biodegradability variations. The treatment was carried out at ambient temperature (23.8 ± 2.1 °C) in the landfill area. In a first attempt, the leachate collected directly from landfill showed to be predominantly recalcitrant to anaerobic treatment and the acclimation was not possible. In a second attempt, adding ethanol to leachate, the reactor was successfully acclimated. After acclimation, without ethanol addition, the CODTotal influent ranged from 4970 to 13040 mg L-1 and the removal efficiencies ranged from 12.1% to 70.7%. A final test was carried out increasing the ammonia and free-ammonia concentration from 2486 mgN L-1 and 184 mgN L-1 to 4519 mgN L-1 and 634 mgN L-1, respectively, with no expressive inhibition verified. The start-up strategy was found to be feasible, providing the acclimation of the biomass in the AnSBBR, and maintaining the biomass active even when the leachate was recalcitrant. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Tratamento anaeróbio-aeróbio de águas residuárias de suinocultura e reúso na produção de milho para silagem

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise da viabilidade da reciclagem de dejetos de bovinos com tratamento biológico, em sistema intensivo de produção de leite

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Tratamento de águas residuárias de suinocultura em reatores UASB e em batelada com fase aeróbia, em série, e reuso na produção de milho e sorgo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Influence of inoculum on performance of anaerobic reactors for treating municipal solid waste

The influence of bovine rumen fluid inoculum during anaerobic treatment of the organic fraction of municipal solid waste (MSW) was studied in this work. The parameters adopted for evaluation were the biostabilization constant of total volatile solids (TVs) and the biostabilization time of the chemical oxygen demand (COD) applied to the reactors. The work was realized in four anaerobic batch reactors of 20 1 capacity each, during a period of 365 days. The proportions between MSW/inoculum loaded in the reactors were Reactor A (100%/0%), Reactor B (95%/5%), Reactor C (90%/10%) and Reactor D (85%/15%). The necessary time for biostabilization of half of the applied COD was 459, 347, 302 and 234 days and the average of methane concentration in the biogas produced was 3.6%, 13.0%, 25.0% and 42.6% for Reactors A, B, C and D, respectively. The data obtained affirm that the inoculum used substantially improved the performance of the process. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The "chemical oxygen demand/total volatile acids" ratio as an anaerobic treatability indicator for landfill leachates

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Bacterial diversity from environmental sample applied to bio-hydrogen production

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The chemical oxygen demand / total volatile acids ratio as an anaerobic treatability indicator for landfill leachates

In some operational circumstances a fast evaluation of landfill leachate anaerobic treatability is necessary, and neither Biochemical Methane Potential nor BOD/COD ratio are fast enough. Looking for a fast indicator, this work evaluated the anaerobic treatability of landfill leachate from São Carlos-SP (Brazil) in a pilot scale Anaerobic Sequence Batch Biofilm Reactor (AnSBBR). The experiment was conducted at ambient temperature in the landfill area. After the acclimation, at a second stage of operation, the AnSBBR presented efficiency above 70%, in terms of COD removal, utilizing landfill leachate without water dilution, with an inlet COD of about 11,000 mg.L-1, a TVA/COD ratio of approximately 0.6 and reaction time equal to 7 days. To evaluate the landfill leachate biodegradability variation over time, temporal profiles of concentration were performed in the AnSBBR. The landfill leachate anaerobic biodegradability was verified to have a direct and strong relationship to the TVA/COD ratio. For a TVA/CODTotal ratio lower than 0.20, the biodegradability was considered low, for ratios between 0.20 and 0.40 it was considered medium, and above 0.40 it was considered high.