Eliminación biológica simultanea de nitrógeno, carbono y azufre, por desnitrificación - Reyes Ávila, Romeo Jesús (Universidad Autónoma Metropolitana, 2000)
Los efluentes acuosos de una refinería de petróleo representan un problema complejo debido a la presencia de diversos contaminantes entre ellos. de importancia por su impacto adverso en el ambiente. compuestos orgánicos. sulfuro y amomo. El agua residual contaminada debe de ser tratada para eliminar el carbono. Nitrógeno y azufre (NCS), comúnmente por procesos de tratamiento en etapas. Entre estos, los procesos biológicos pueden llegar a ser una alternativa favorable. La nitrificación y desnitrificación son parte de una forma de eliminación vía biológica de compuestos nitrogenados. La desnitrificación se lleva a cabo en heterotrofia o litoautotrofia y en anaerobiosis, requiere de la presencia de nitrato como aceptor de electrones. En heterotrofia, el donador de electrones es una fuente orgánica y al mismo tiempo fuente de carbono. Un compuesto adecuado para la desnitrificación es el acetato, que se oxida hasta bióxido de carbono, en tanto que el nitrato es reducido y liberado del sistema en forma de nitrógeno molecular En litoautotrofia, ésta comprobado que ciertos microorganismos son capaces de desnitrificar usando compuestos reducidos de azufre Esta capacidad se ha estudiado con azufre elemental y en menor grado con sulfuro, en presencia de Thiobacillus denitrificans, pero, prácticamente, en ausencia de materia orgánica. El mecanismo de la desnitrificación en heterotrofia ha sido ampliamente estudiando. sin embargo. poca información documentada existe de lo que sucede con la presencia simultánea de materia orgánica y sulfuro. En este trabajo. utilizando un reactor anaerobio de tanque agitado con un volumen de trabajo de 1.3L. se evaluó la desnitrificación biológica para eliminar NCS en presencia de una biomasa desnitrificante de origen heterotrófico. El reactor, operando en heterotrofia a velocidad de carga de 290 mg CCH3COO/Ld, 203 mg N-NO3/Ld, con una relación C/Nesteq de 1.4 y tiempo de residencia hidráulico (TRH) de 2d. fue conducido hacia el estado estacionario. Ahí, mantuvo un rendimiento desnitrificante(Y-N2) de 0.93 con velocidad de producción de N2 de 197.l mg/L d sin detectarse acumulación de intermediarios. La eficacia de consumo de la fuente de carbono fue de 94%. Bajo estas condiciones se alimentó sulfuro a diferentes velocidades de carga (44 a 295 mg/Ld) hasta alcanzar una relación S/esteq del 43. La eliminación de sulfuro se presentó desde las primeras velocidades de cargas oxidándose a azufre elemental y alcanzó eficiencias de casi 100%. Respecto a la desnitrificación el valor de Y-N2 disminuyó, pero se mantuvo en 0.83 con una variación de 2.5%. En el efluente no se detectó NO3 o intermediarios, excepto una fracción de N20 en el gas que representó el 3% del nitrógeno en la alimentación. Cálculos efectuados mostraron que el acetato fue la principal fuente reductora y es desplazado en un 33% por el sulfuró. Estos resultados muestran que los cambios de velocidad de carga de sulfuro no modificaron al proceso desnitrificante, pero si a la eficiencia de consumo de acetato que disminuyó de 94 a 65%. De experimentos en lote se observó que el consumo de substratos en el proceso desnitrificante tanto en heterotrofia como en litoautotrofia depende de la actividad biológica de la biomasa. A condiciones ambientales y por vía química el proceso ocurre lentamente y de forma incompleta. Asimismo, file calculada la velocidad especifica de consumo de nitrato y la actividad desnitrificante usando como fuente de energía acetato, sulfuro y ambos. Los resultados mostraron que en presencia de sulfuro el proceso desnitrificante se llevó a cabo a una velocidad baja y con acumulación de intermediarios no así cuando se utiliza al acetato. En presencia de ambas fuentes de energía la oxidación de sulfuro fue incompleta formando tiosulfato. Por el contrario. en el cultivo en continuo bajo ninguno de los cambios en la alimentación se presentaron intermediaros de compuestos de azufre ni compuestos nitrogenados. Este trabajo aporta evidencias de que el proceso de desnitrificación en continuo puede ser una alternativa para llevar a cabo la eliminación simultánea de sulfuro materia orgánica y nitrato.; The wastewaters from a petroleum refinery represent a complex problem due to the presence of diverse polluting agents of importance by their ad\:erse impact in the environment, among them organic compounds, sulfide and ammonium. The contaminated wastewaters must be treated to eliminate carbon, nitrogen and sulphur (NCS), commonly by processing in several steps. Between these, the biological processes like the nitrification and denitrification can be a feasible alternative. The denitrification can proceed under heterotrophic or litoautotrophic and anaerobic conditions, and requires nitrate as electron acceptor. Under heterotrophic onditions, generally, an organic compound acts as both electron donor and carbon source. Acetate is a good substrate for the denitrification, whereas nitrate is reduced and released from the system as molecular nitrogen. It is knom that under litoautotrophic conditions, certain microorganisms are able to use reduced sulphur compounds as energy source for the denitrification process. This capacity has been observed in l‘l~iohacrlIr/.r der~it~$cr/~~.s that its able to use elemental sulphur and sulfide, in minor degree, in absence of organic materia The mechanism of heterotrophic denitrification has been widely studied However. there is scarce information about the effcct of the simultaneous presence of organic material and sulfide. In this work, using a continuous anaerobic stirred reactor (l.; L), biological denitrification to eliminate NCS in presence of a heterotrophic biomass was evaluated. e reactor was operated under steady state c.onditions at loading rates of 290 mg C-CH3COO/L.d, 203 mg N-N03/L.d, with aC/N stoichiometric ratio of 1.4 and a hydraulic retention time of 2 d. .4t these conditions, the carbon consumption efficiency was 93 % and the reactor maintained a denitrifying yield (Y-N*) of 0.93 with N: production rate of 197 1 mg NLd, without accumulation of intermediates. Under these conditions, sulfide was fed at different loading rates (43 to 295 mg S”/’L.d) until reaching the S/N stoichiometric ratio of 1.43. At the first sulfide loading rate, the sulfide consumption efficiency was very low. However, as the S/N ratio was increased till the stoichiometric value, the sulfide osidation efficiency reached almost 100% In all the cases, sulfide was partially oxidized producing elemental sulfur that accumulates in the reactor. Regarding the denitrification i presence of sulfide, the lfalue of Y-N2 diminished to 0.83 with a variation of 2 5% and remained constant. N10 was the only intermediate detected and represented 3?/, of nitrogen in the feeding. hlass balance calculations showed that acetate and no sulfide u-as the main electron donor (77 S,ó) for nitrate reduction. These results indicated that the sulfide loading rates changes did not modify the denitrifying process, but it affected the efficiency of acetate consumption that was reduced from 94 to 65%. According to batch experiments, it was observed that he consumption of substrates in the denitrifying process under heterotrophic and litoautotrophic conditions, depends on the biological activity of the biomass. Chemical oxidation proceeded slowly and was incomplete. Specific nitrate consumption rate \yas determined in systems supplied with either acetate, sulfide or acetate plus sulfide. Results indicated that the denitrifying process in presence of sulfide exhibited a lower rate and accumulation of intermediaries was detected when compared to the experiment with acetate. In the presence of both energy sources, the sulfide oxidation was incomplete forming thiosulfate. On the contrary, in the continuous reactor experiments, formation of sulfiu and nitrogen compound intermediates was not detected at all under all the conditions tested. This work present evidences indicating that he denitrifying process can be an alternative to carry out he simultaneous elimination of sulfide, organic material and nitrate in one single step.