Actividad metanogénica específica en un reactor anaerobio - aerobio aplicado al tratamiento de agua residual doméstica.

Mélida del Pilar Anzola Rojas, Antonio Oliveira Netto y Marcelo Zaiat

Mélida del Pilar Anzola Rojas. Ingeniera Ambiental, Universidad Manuela Beltrán, Colombia. Estudiante de Maestría en Hidráulica y Saneamiento, Universidade de São Paulo (USP), Brasil.

Antonio Pedro Oliveira Netto. Ingeniero Civil, Universidade Federal de Alagoas, Brasil. Maestro en Hidráulica y Saneamiento, USP, Brasil. Estudiante de Doctorado, USP, Brasil.

Marcelo Zaiat. Ingeniero Químico y Maestro en Ingeniería Química, Universidade Federal de São Carlos, Brasil. Doctor en Ingeniería Hidráulica y Saneamiento, USP, Brasil. Profesor, USP, Brasil. Dirección: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), USP, Av Trabalhador São-carlense, 400, 13566-490, São Carlos, SP, Brasil. e-mail: zaiat@sc.usp.br

RESUMEN

El ensayo de actividad metanogénica específica (AME) es una importante herramienta para el monitoreo de la digestión anaerobia. En este estudio se observó el comportamiento de las arqueas metanogénicas de un lodo anaerobio, bajo diferentes condiciones de oxigenación en un reactor anaerobio-aerobio de lecho fijo, operado de modo continuo con diferentes razones de recirculación de la fase líquida para remover carbono y nitrógeno, aplicado al tratamiento de aguas residuales domésticas. La aplicación del ensayo AME fue adaptado de varios autores y la medición del metano acumulado en el reactor se realizó mediante cromatografía gaseosa. Al finalizar los experimentos se observó que la presencia de oxígeno no inhibió el comportamiento de los organismos metanogénicos. Al contrario, la velocidad de producción de CH₄ fue mayor en comparación con los resultados obtenidos en la fase en que el reactor operó de forma anaerobia.

Specific methanogenic activity in an anaerobic-aerobic reactor applied to the treatment of domestic residual water.

SUMMARY

The specific methanogenic activity (SMA) test is an important tool for the monitoring of anaerobic digestion. This paper presents the behavior of the methanogenic archaea of an anaerobic sludge under different conditions of oxygenation in a fixed-bed anaerobic-aerobic reactor treating domestic sewage. The reactor was operated in a continuous manner under different liquid recycle ratios from aerobic to anaerobic zones in order to remove carbon and nitrogen. The application of the SMA test was adapted from several authors and the measurement of the accumulated methane in the reactor was carried out by means of gas chromatography. Methanogenic organisms were not inhibited by the presence of oxygen. In contrast, the values of CH₄ production rate by sludge exposed to oxygen were greater than those obtained for strictly anaerobic sludge.

Atividade metanogênica específica em um reator anaeróbio-aeróbio aplicado ao tratamento de agua residual doméstica.

RESUMO

O ensaio de atividade metanogênica específica (AME) é uma ferramenta importante para o monitoramento da digestão anaeróbia. Nesse artigo, foi observado o comportamento das arqueias metanogênicas de um lodo sob diferentes condições de oxigenação em um reator anaeróbio-aeróbio de leito fixo, operado de modo contínuo, com diferentes razões de recirculação da fase líquida, aplicado ao tratamento de esgoto sanitário. A aplicação do ensaio de AME foi adaptado de vários autores e a medição de metano acumulado no reator foi realizada por cromatografia gasosa. Ao final dos experimentos observou-se que a presença de oxigênio não inibiu a atividade dos organismos metanogênicos. Ao contrário, a velocidade de produção de CH₄ foi maior em comparação como os resultados obtidos na fase em que o reator foi operado de forma anaeróbia.

PALABRAS CLAVE/ Actividad Metanogénica Específica/ Aguas Residuales Domésticas/ Digestión Anaerobia/

Recibido: 25/06/2007. Modificado: 19/02/2008. Aceptado: 20/02/2008.

Introducción

Una propuesta reciente para tratamientos de efluentes industriales y domésticos considera el reactor anaerobio como la unidad principal de una depuradora, no obstante generalmente se requiera de un postratamiento para la obtención de los niveles exigidos por la legislación. Esta propuesta deriva de un concepto más amplio de protección ambiental sostenible y de la conservación aplicada para aguas residuales (Foresti et al., 2006). Estos tratamientos han sido responsables por el cambio en las condiciones de control y contaminación industrial, pues son tecnologías de bajo costo económico y energético. La operación de estos reactores depende de un buen control de las condiciones ambientales del proceso fermentativo, así como del diseño del equipamiento (Poetsch y Koetz, 1998).

La biomasa anaerobia, responsable por la degradación de la materia orgánica de las aguas residuales, debe ser constantemente evaluada en su capacidad de depuración (Poetsch y Koetz, 1998). Para que esta biomasa pueda ser preservada y monitoreada se tornó imperativo el desarrollo de técnicas para la evaluación de la actividad microbiana de reactores anaerobios, en particular de las bacterias metanogénicas. Diversos métodos han sido propuestos (Chernicharo, 1997) para evaluar la actividad microbiana anaerobia a partir de la caracterización de la actividad metanogénica específica (AME).

Inicialmente el ensayo de AME fue utilizado para la selección del lodo a inocular (Jawed y Tare, 1999). Pero el ensayo puede ser una importante herramienta para el estudio de procesos anaerobios, según varios autores (Soto et al., 1993; Ince et al., 1995, 2001; Stewart et al., 1995; Chernicharo, 1997; Araujo et al., 1998; Poetsch y Koetz, 1998; Hutnan et al., 1999; Miranda et al., 2005).

El ensayo de AME consiste en evaluar la capacidad de los microorganismos metanogénicos en convertir substrato orgánico en CH₄ y CO₂. De esta forma, a partir de cantidades conocidas de biomasa (sólidos volátiles totales, SVT), bajo condiciones establecidas, se puede evaluar la producción de CH₄ a lo largo de un periodo de tiempo. Algunos métodos utilizados para la medición de la producción de CH₄ en el ensayo de AME son desplazamiento de líquido, cromatografía gaseosa y respirometría (Chernicharo, 1997).

En este trabajo de investigación se estudió el comportamiento de los organismos metanogénicos bajo diferentes condiciones de oxigenación en un reactor anaerobio-aerobio de lecho fijo, operado de modo continuo con recirculación de la fase líquida aplicado al tratamiento de aguas residuales domésticas; registrando los resultados obtenidos en el ensayo de AME en tres diferentes fases del reactor.

Materiales y Métodos

Reactor

Fue utilizado un reactor de lecho fijo de flujo ascendente con arcilla expandida y espuma de poliuretano como soportes de inmovilización de la biomasa. El lecho del reactor fue dividido en tres compartimientos de volúmenes diferentes. En una primera fase, el reactor fue operado de forma anaerobia. Los dos compartimientos anaerobios fueron llenados con arcilla expandida el primero y con espuma de poliuretano el segundo. En una segunda etapa, un módulo adicional fue insertado en la parte superior del reactor, precedido por una cámara de aireación. Así, el reactor pasó a operar al mismo tiempo como anaerobio-aerobio de lecho fijo con flujo ascendente. En este nuevo compartimiento también se colocó espuma de poliuretano para inmovilización de la biomasa.

En la tercera y última etapa, el reactor fue operado como combinado anaerobio-aerobio, con recirculación del efluente para la zona anaerobia, justo encima del lecho que contiene arcilla expandida (Figura 1). En esta etapa experimental la variable fue la razón de recirculación (relación entre el caudal de recirculación y el caudal de alimentación del reactor). Dos razones de recirculación (r) fueron adoptadas: 0,5 y 1,5; es decir, el caudal de recirculación fue igual a la mitad del valor del caudal de alimentación en un primer experimento y, finalmente, fue 50% superior al caudal de alimentación en un segundo experimento.

El ensayo de actividad metanogénica específica fue realizado en tres ocasiones, la primera al final de la operación de la fase anaerobia del reactor de lecho fijo y flujo ascendente, la segunda después de la operación combinada anaerobia-aerobia con recirculación a razón de 0,5 y la tercera en el final de la fase combinada anaerobia-aerobia con recirculación a razón de 1,5.

Las características de funcionamiento del reactor, presentadas por Oliveira Netto (2007), para cada fase son presentadas en las Tablas I, II y III. El caudal del afluente fue de 0,59l·h^-1 en las tres fases del reactor, y los caudales de recirculación utilizados en la tercera fase fueron de 0,30 y 0,90l·h^-1.

Durante todo el experimento el caudal de aire inyectado no se midió, ya que lo importante era mantener una concentración de O₂ disuelto >1,5mg·l^-1. La media de la concentración de O₂ disuelto durante todo el periodo de operación estuvo en 4,5mg·l^-1.

Agua residual

El agua residual utilizada en este estudio es la que abastece la estación de tratamiento de agua residual (ETE) del Campus de la Universidad de São Paulo (USP) en São Carlos. Se trata de agua residual del Campus universitario, proveniente del restaurante, baños, y también del agua residual doméstica de los barrios Tijuco Preto y Vila São José, de la ciudad de São Carlos, SP, Brasil. Algunos residuos de laboratorios también son vertidos en la red que alimenta la ETE, pero estos valores al ser diluidos son despreciables.

Actividad metanogénica específica (AME)

Los ensayos fueron basados en los trabajos de Oliveira (1997), Zaiat et al. (2000), Steil (2001) y Vich (2006). Para las tres ocasiones del ensayo las espumas de poliuretano (~30 matrices) fueron retiradas del reactor con ayuda de una pinza metálica. Se tomó como punto de muestreo el tercer compartimiento de la zona anaerobia, justo antes de la zona de aireación (Figura 1). Las espumas fueron colocadas en un beaker de 80ml cubierto con plástico expandible para evitar la contaminación. Se llevó a una incubadora a 30ºC por 12h, tras las cuales se retiró la biomasa de las espumas de poliuretano y se virtió por partes iguales en dos frascos con volumen de 80ml cada uno (Figura 2). En los frascos se agregó agua residual doméstica del afluente del reactor hasta completar el volumen líquido de cada uno (2/3 del volumen útil). Se burbujeó N₂ puro en el medio durante 5min para expulsar los gases contenidos en los frascos. Posteriormente, se sellaron con tapa de caucho y lacre metálico y se llevaron a una incubadora a 30ºC con agitación a 40rpm. Durante los experimentos los frascos no fueron despresurizados a fin de mantener concentraciones acumuladas del biogás.

Determinación de metano

Alícuotas de 1ml de biogás del interior de cada frasco (headspace) fueron retiradas con ayuda de una jeringa con válvula de traba de 1,0ml (VICI Precisión Sampling) y la concentración de CH₄ medida en un cromatógrafo Gow-Mac Instrument modelo 69, con columna porapak-Q, largo de 2,0m y diámetro interno de ¼'', con detector de conductividad térmica serie 15. El gas de arrastre usado fue hidrógeno superseco. Se empleó un integrador Hewlett-Packard modelo HP 3396 serie II. Las condiciones de operación del aparato fueron: temperatura del detector, columna e inyector de 50ºC y corriente de 150mA. Para el cálculo de la concentración del metano (mmol de CH₄/l^-1) se preparó una curva de calibración.

Cálculo de la AME

Los valores de las áreas obtenidas fueron convertidos por medio de la ecuación de la recta padrón, a mmol CH₄ en condiciones normales de temperatura y presión (CNTP), es decir, a 0ºC (273ºK) y 1atm y, los valores de CH₄ obtenidos para 1ml de gas fueron convertidos para el headspace de cada frasco a partir de la ecuación

Los datos experimentales fueron ajustados a la sigmoide de Boltzman a través del software Microcal Origin^® 6.0 c el algoritmo de Levenberg-Marquardt, minimizando la sumatoria de los errores al cuadrado. Con el mismo software, la sigmoide ajustada fue posteriormente derivada numéricamente, a fin de determinar las velocidades máximas de formación de metano (r_max). Dividiendo la velocidad máxima por la concentración de biomasa de cada frasco (g STV), se obtuvo la actividad metanogénica específica (AME).

La derivada de la sigmoide ajustada fue integrada para determinar el área y posteriormente la actividad metanogénica media (r_med), estimándola a partir de la ecuación

        (2)

La concentración de la biomasa en cada frasco o sólidos totales volátiles (STV) de cada uno fue calculada por el procedimiento descrito en APHA (1998).

Resultados

El ensayo de AME fue realizado en tres fases: la primera en el final de la fase anaerobia del reactor de lecho fijo y flujo ascendente (fase 1), la segunda en la fase combinada anaerobia-aerobia con recirculación a razón de 0,5 (fase 2), y, la tercera en la fase combinada anaerobia-aerobia con recirculación a razón de 1,5 (fase 3).

Fase 1. Reactor anaerobio de lecho fijo con flujo ascendente

Los análisis de AME fueron hechos por duplicado al final de esta fase del reactor. Se realizaron 16 lecturas en el cromatógrafo durante 8 días. La concentración de CH₄ acumulado en 176h de experimento fueron de 1,47·10^-2mmol·l^-1 para el frasco 1 y de 1,46·10^-2mmol·l^-1 para el frasco 2 (Figura 3). El inicio de producción de CH₄ se presentó en ~48h en ambos frascos y la estabilización tuvo lugar después de las 132h.

Los valores de r máxima y r media obtenidos para los dos frascos se muestran en la Figura 4. La masa de STV para el frasco 1 fue de 151,40mg, por tanto la velocidad máxima fue de 2,37·10^-6mmolCH₄/mgSTV·h y la velocidad media de 7,90·10^-7mmolCH₄/mgSTV·h. Para el frasco 2 la masa de STV fue de 163,30mg, la velocidad máxima de 2,14·10^-6mmolCH₄/mgSTV·h y la velocidad media de 7,30·10^-7mmolCH₄/mgSTV·h.

Fase 2. Reactor operado anaerobio-aerobio con recirculación a razón de 0,5

Los análisis fueron realizados por duplicado en la fase 2 del reactor, cuando fue operado de forma combinada anaerobio-aerobio con recirculación a razón de 0,5. Se realizaron 19 lecturas en el cromatógrafo durante 8 días. La concentración de CH₄ acumulado en 175h de experimento fue de 2,99·10^-1mmol·l^-1 para el frasco 1 y de 3,18·10^-1mmol·l^-1 para el frasco 2 (Figura 5). El inicio de producción de CH₄ se presentó en ~7h en ambos frascos y la estabilización tuvo lugar después de las 120h.

Los valores de r máxima y r media obtenidos para los dos frascos se muestran en la Figura 6. La masa de STV para el frasco 1 fue de 143,70mg, por tanto la velocidad máxima fue de 2,41·10^-5mmolCH₄/mgSTV·h y la velocidad media de 1,22·10^-5mmolCH₄/mgSTV·h. Para el frasco 2 la masa de STV fue de 163,20mg, la velocidad máxima de 2,22·10^-5mmolCH₄/mgSTV·h y la media de 1,17·10^-5mmolCH₄/mgSTV·h.

Fase 3. Reactor operado anaerobio - aerobio con recirculación a razón de 1,5

Los análisis fueron hechos por duplicado en la fase 3 del reactor, cuando fue operado de forma combinada anaerobio-aerobio con recirculación a razón de 1,5. Se realizaron 11 lecturas en el cromatógrafo durante 5 días. La concentración de CH₄ acumulado en 100h de experimento fue de 8,12·10^-2mmol·l^-1 para el frasco 1 y de 1,02·10^-1mmol·l^-1 para el frasco 2 (Figura 7). El inicio de producción de CH₄ se presentó en ~5h en los dos frascos y la estabilización después de las 53h.

Los valores de r máxima y r media obtenidos para los dos frascos se muestran en la Figura 8. La masa de STV para el frasco 1 fue de 260,40mg, por tanto la velocidad máxima fue de 1,11·10^-5mmolCH₄/mgSTV·h y la velocidad media de 1,00·10^-6mmolCH₄/mgSTV·h. Para el frasco 2 la masa de STV fue de 113,70mg, la velocidad máxima de 2,11·10^-5mmolCH₄/mgSTV·h y la media fue de 1,13·10^-5mmolCH₄/mgSTV·h.

Discusión

En la Tabla IV se presentan los valores medios de la producción máxima y media de CH₄ para cada una de las tres fases del reactor en que fue realizado el ensayo AME, a fin de facilitar el análisis de los resultados.

Los resultados muestran que el contenido de O₂ disuelto no afectó la metanogénesis, al contrario, aumentó la velocidad y mejoró la producción de CH₄. Esto puede ser explicado por el aumento de la variedad microbiana existente en ese compartimiento del reactor. Después de la inserción de O₂ en el medio, microorganismos que no habitaban en ese compartimiento pasaron a existir con las nuevas condiciones impuestas.

Una primera hipótesis para explicar este comportamiento podría ser que con la recirculación de la fase líquida aumentaría el contenido de bacterias facultativas en la zona anaerobia del reactor, ubicándose así para proteger las bacterias estrictas anaerobias del O₂ disuelto. Una segunda hipótesis podría ser que al aumentar la cantidad de bacterias facultativas, las cuales tienen tasas de crecimiento mayores, incrementaran la velocidad de la hidrólisis, mejorando así las fases siguientes de la digestión anaerobia: acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.

Estas dos hipótesis se pueden sustentar con comportamientos similares de los microorganismos en cuanto a producción de CH₄, bajo condiciones diferentes para su crecimiento y desarrollo, en este caso el soporte.

Se observó un gran aumento en la producción máxima y media de CH₄ en la fase 2 y 3 con respecto a la fase 1, hecho que puede ser explicado siguiendo a Shen y Guiot (1996), quienes estudiaron el impacto del O₂ disuelto sobre la actividad de gránulos anaerobios, asumiendo los gránulos como un tipo de biofilm.

Se podría hacer una analogía, según Shen y Guiot (1996) bajo concentraciones limitadas de O₂, mientras los microorganismos aerobios respiran ellos pueden mantener condiciones muy bajas de O₂ disuelto en un sistema co-cultivado anaerobio-aerobio, evitando así una eventual inhibición de los microorganismos anaerobios. Las bacterias facultativas son predominantes en el lecho perimetral del biofilm, mientras que las metanogénicas se sitúan en el centro. Las primeras, sobre el perímetro, adquieren la capacidad de limitar eficazmente la penetración difusiva de O₂ y prevenir el O₂ tóxico para las bacterias metanogénicas, situadas en el interior del biofilm y que son sensibles al mismo. De esta manera, la estructura espacial es considerada como una clave fundamental para que las bacterias metanogénicas situadas en el interior puedan sobrevivir en ambientes ricos en O₂.

En comparación con el trabajo de Shen y Guiot (1996), el crecimiento de los microorganismos y formación del biofilm sobre los soportes utilizados en el reactor del presente estudio es diferente, debido a la porosidad de la arcilla expandida y a la espuma de poliuretano. Sin embargo, la óptima tolerancia de las anaerobias al O₂ podría ser atribuida a la presencia de bacterias facultativas y aerobias en el lodo, ubicadas sobre los soportes de modo tal que formen un gradiente de O₂, evitando el contacto de éste con las bacterias anaerobias.

Los resultados del estudio de Estrada et al. (2001) sugirieron que el consorcio de organismos anaerobios/metanogénicos tuvieron una resistencia especial, pequeña o nula al O₂, y que esta tolerancia se debe principalmente a la protección que ejercieron las bacterias facultativas que lograron reducir el O₂ disuelto en la fase líquida.

El decrecimiento de la producción de CH₄ en la fase 3 con respecto a la fase 2, puede ser explicado también con una analogía, ya que como se dijo anteriormente no se utilizaron gránulos durante estos experimentos. Según Kato et al. (1997), no obstante, a pesar de la no-toxicidad del O₂ a los cultivos mixtos naturales, en los lodos granulares usados en el tratamiento de aguas residuales todavía hay una preocupación en cuanto a la competencia por el substrato entre las arqueas metanogénicas y las bacterias facultativas. Si el reactor fuera alimentado con exceso de O₂, el substrato sería consumido por las bacterias facultativas, puesto que tienen actividades y tasas de crecimiento específicas mucho más altas que las metanogénicas. Estas últimas, sin el acceso al substrato, quedarían fuera de competencia.

Al elevar la razón de recirculación de 0,5 a 1,5 en la fase 3, el contenido de O₂ disuelto aumentó y probablemente el substrato fue consumido rápidamente por las bacterias facultativas, creando una ventaja de crecimiento sobre las metanogénicas y una inhibición sobre éstas.

Se observó un aumento de velocidad en el inicio y estabilización de producción de CH₄ en los análisis de las fases 2 y 3 del reactor; lo que también enfatiza el hecho que las bacterias facultativas tienen actividades y tasas de crecimiento específicas mucho mas altas que las arqueas metanogénicas (Kato et al., 1997), probablemente acelerando así las etapas anteriores a la metanogénesis.

Conclusiones

La presencia de O₂ disuelto en la zona anaerobia del reactor cuando la fase líquida fue recirculada no inhibió la metanogénesis. Por el contrario la producción de metano fue mayor.

El lodo mantuvo buena actividad metanogénica en las fases 2 y 3, demostrando que el reactor funcionando en fase anaerobio-aerobio puede ser operado con éxito para mantener tanto a las bacterias anaerobias estrictas, como a las aerobias, al mismo tiempo, en condiciones existentes de O₂ disuelto en el fluido de recirculación.

El impacto no negativo del O₂ disuelto en el afluente sobre las arqueas estrictas anaerobias, indica una probable presencia de bacterias facultativas formando una estructura protectora para estas bacterias anaerobias.

Los resultados sugieren que aunque el O₂ disuelto fue inhibitorio para las bacterias metanogénicas en el reactor anaerobio-aerobio; cuando la razón de recirculación fue un 50% mayor que el caudal de alimentación, la tasa de producción de CH₄ fue mejor que en la fase anaerobia.

El ensayo de actividad metanogénica específica fue una herramienta eficiente para el monitoreo del comportamiento de las bacterias en el reactor anaerobio-aerobio de lecho fijo, operado de modo continuo con recirculación de la fase líquida.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Brasil) por el soporte financiero a este trabajo.

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