Biodegradación de compuestos orgánicos azufrados en reactores de lecho escurrido: evaluación de parámetros hidráulicos, cinéticos y simulación del proceso - Arellano García, Luis Alberto (Universidad Autónoma Metropolitana, 2014)
Se evaluó la eficiencia del tratamiento de aire contaminado con compuestos reducidos de azufre en un biofiltro de escurrimiento alcalino (BLE). El sistema se inoculó con biomasa alcalófila adaptada al consumo de bajas concentraciones de sulfuros (olores). La actividad de oxidación de dimetil disulfuro (DMDS) se evaluó a través de experimentos de respirometría, obteniéndose una máxima tasa de respiración de 3.0x10⁻⁴ gO2 gproteína ⁻¹ min⁻¹ que fue baja al compararse con la respiración inducida por el DMDS en biomasa neutrófila. Se aumentó la concentración de biomasa inmovilizada en el empaque del BLE alcalino para compensar la baja actividad biológica de oxidación de DMDS. En una primera fase de operación del BLE se obtuvieron capacidades de eliminación (CE) de hasta 15 gDMDS m -3 lecho h⁻¹ con una eficiencia de remoción (ER) cercana al 100%. Se observó que concentraciones de sulfato superiores a 15 g L⁻¹ en el líquido del BLE, disminuyeron la capacidad de remoción de DMDS. Se observó que la acumulación de biomasa en el material de soporte del BLE influyó en la hidráulica del reactor. En el BLE se determinaron coeficientes de dispersión de 0.3 y 0.7 m 2 h⁻¹ , para el flujo del líquido a través la espuma de poliuretano limpia y colonizada, respectivamente. Estos valores indican un grado considerable de dispersión, incluso para el flujo a través del material de empaque limpio. La determinación del contenido de biomasa en el lecho empacado se realizó en distintas fases de operación del BLE. Al inicio se estimó que aproximadamente un 5% del volumen empacado correspondía a biomasa. Después de un aumento en la concentración de biomasa en el BLE, para compensar la baja actividad microbiana, se estimó que alrededor de un 30% del volumen del lecho estaba ocupado con biomasa. Este último resultado se corroboró con un análisis por Resonancia Magnética de Imágenes (RMI), que además permitió una estimación del área superficial en el lecho empacado de 650 m² m⁻³ . Este último resultado, al compararse con el valor inicial calculado de 480 m² m⁻³ , sugiere que uno de los efectos de la acumulación de biomasa en el material de empaque sería el aumento del área superficial en el BLE. El proceso de biofiltración en el BLE se representó teóricamente a través de un modelo matemático, donde la mayoría de los parámetros utilizados se determinaron experimentalmente. Las predicciones de remoción de DMDS del modelo se contrastaron con datos experimentales y, en comparación con las estimaciones obtenidas con un modelo de flujo pistón ideal, se observó un mejor ajuste cuando se consideró la dispersión del flujo del líquido en un modelo de flujo pistón disperso. Mediante una simplificación de la estructura de la espuma de poliuretano, utilizada como material de empaque en el BLE, se planteó una expresión del área superficial en función de la cantidad de biomasa inmovilizada. Con ésta función se determinó teóricamente que durante la primera fase de colonización el proceso de biofiltración estaría limitado por la actividad de la biomasa alcalófila (reacción); posteriormente, al aumentar la concentración de biomasa para superar esta limitación, otros parámetros como la disminución del tiempo de residencia del gas empezarían a restringir el desempeño del BLE. Con base en esta tendencia calculada, se aproximó un contenido óptimo de biomasa de 20% del volumen empacado total, para el tratamiento de DMDS gaseoso con biomasa alcalófila en un BLE. En la última fase de operación del BLE alcalino, se alimentó una mezcla de DMDS y H2S. La interferencia del H₂S sobre la remoción de DMDS se observó únicamente durante algunos días, en los que el BLE se adaptó a la remoción de ambos sulfuros. Durante la alimentación simultánea de DMDS y H₂S al BLE alcalino se obtuvieron capacidades de eliminación de 110 y 60 g m⁻³ lecho h⁻¹ respectivamente, con eficiencias de remoción superiores al 95%. En el monitoreo del BLE, en la última fase de operación, no se detectó ningún compuesto diferente a sulfato y sulfuro disuelto en el líquido y DMDS, H₂S y CO₂ en la fase gas.; The efficiency of an alkaline biotrickling filter (BTF) for the treatment of air polluted with reduced sulfur compounds was evaluated. The BTF was inoculated with alkaliphilic biomass adapted to the consumption of low concentrations of sulfides (odors); its dimethyl disulfide (DMDS)-degrading activity was assessed by respirometry experiments obtaining an oxygen uptake rate of 3.0x10⁻⁴ gO₂ gprotein⁻¹ minc , which was low compared to the one observed for neutrophilic biomass with DMDS as substrate. The immobilized biomass concentration on the alkaline BTF packing was incremented to compensate the low biological activity. In the first operation stage of the BTF elimination capacities (EC) as high as 15 gDMDS m⁻³ bed h⁻¹ with removal efficiency (RE) close to 100% were observed. Further it was determined that sulfate concentrations above 15 g L⁻¹ in the BTF liquid diminished the DMDS removal capacity. It was verified that the biomass accumulation influenced the BTF hydraulics. Dispersion coefficients of 0.3 y 0.7 m² h⁻¹ were obtained for the liquid flow through the BTF bed packed with clean and colonized polyurethane foam respectively, which evidenced a considerable dispersion degree even for the liquid flow across the clean support material. The evaluation of the packed bed biomass content was carried out at different BTF operation phases. At the beginning it was estimated that close to 5% of the packed volume was occupied by biofilm. After increasing the biomass concentration in the BTF in order to compensate the low microbial activity, it was determined that nearly 30% of the packed volume corresponded to biomass. The latter result was confirmed by a Magnetic Resonance Imaging (MRI) analysis that also allowed the estimation of a superficial area of 650 m² m⁻³ , which compared to the initial value (480 m² m⁻³ ), suggests that a rise in the available superficial area would be one of the effects of BTF biomass accumulation. The biofiltration process in the BTF was represented theoretically through a mathematical model where most of the utilized parameters were evaluated experimentally. The model DMDS elimination predictions were compared with experimental data and, compared to the estimates obtained when supposing an ideal liquid plug flow, better fit was obtained when considering the liquid flow dispersion in a dispersed plug flow model. An expression for the superficial area in the BLE packing as function of immobilized biomass quantity was formulated, through a simplification of the polyurethane foam structure. With this function, it was theoretically determined that during the first phase of colonization the biofiltration process would be limited by the alkaliphilic biomass activity (reaction); afterwards, when the biomass concentration rises to overcome this limitation, other parameters such as the gas residence time reduction would restrict the BTF performance. Following this calculated tendency it was approximated an optimal biomass content of 20% of total packed volume, for the gaseous DMDS treatment in a BTF with alkaliphilic biomass. In the last operation phase the alkaline BTF was fed with a DMDS and hydrogen sulfide (H₂S) mixture. The H₂S interference over the DMDS removal lasted just few days that takes to the alkaline BTF to adapt to both sulfides consumption. During the simultaneous BTF feeding with DMDS and H₂S, elimination capacities of 110 and 60 g m⁻³ bed h⁻¹ were obtained respectively, with removal efficiencies above 95%. Any compound different to sulfate and dissolved sulfide in the liquid phase and DMDS, H₂S and CO₂ in the gas phase were detected throughout the BTF monitoring in this last operation phase.