Novel anaerobic packed-bed reactor application for wastewater remediation

Abstract

Els contaminants emergents són compostos que presenten diferent origen i naturalesa química i que són difícils d'eliminar en les plantes convencionals de tractaments d'aigües residuals, tenint en compte el seu caràcter tòxic i diferència en la concentració en que poden presentar-se. La utilització de reactors amb bio-película ha demostrat ser un procés eficient per a la degradació de productes químics, ja que es produeix un efecte sinèrgic entre la bio-película i el material de suport que potencia les bones capacitats de tots dos per retenir i/o degradar aquests contaminants recalcitrants. Per tant, l'objectiu d'aquest treball ha estat la utilització d'un nou reactor anaerobi agitat de llit empacat de flux ascendent per tal d'eliminar contaminants emergents prioritaris. Per a això es van emprar cultius anaerobis immobilitzats sobre carbó activat i/o material carbonós. L'estudi de l'adsorció d'alguns d'aquests contaminants sobre el carbó activat també va ser dut a terme, amb vista a poder delinear entre quant és causa de l'adsorció del carbó activat i quant a la biotransformació. Amb aquest nou sistema s'obtenen elevades velocitats de degradació per a cada un dels contaminants estudiats, entre 0,14- 34,92 g L-1 d-1, a molt curts temps espacials. D'altra banda, la preparació i modificació superficial química de diferents materials carbonosos és estudiada en la tesi, tenint en compte la possibilitat que brinden aquests materials de ser modificats i així aprofitar els avantatges de les seves propietats específiques úniques. A més, la mineralització completa del azo colorant Acid Orange 7 va ser duta a terme en un sistema integrat anaerobi-aerobi, obtenint una eficiència de remoció total de 80,28% en un temps de residència hidràulic total del procés d'aproximadament 49h.

Los contaminantes emergentes son compuestos que presentan diferente origen y naturaleza química, por lo que son difíciles de eliminar en las plantas convencionales de tratamientos de aguas residuales teniendo en cuenta también su carácter tóxico y diferencia en la concentración. La utilización de reactores con bio-película ha demostrado ser un proceso eficiente para la degradación de productos químicos, ya que se produce un efecto sinérgico entre la bio-película y el material de soporte lo que potencia las buenas capacidades de ambos para retener y/o degradar estos contaminantes recalcitrantes. Por tanto, el objetivo de este trabajo ha sido la utilización de un novedoso reactor anaerobio agitado de lecho empacado de flujo ascendente para eliminar algunos contaminantes emergentes prioritarios. Para ello se emplearon cultivos anaerobios inmovilizados sobre carbón activado y/o material carbonoso. El estudio de la adsorción de algunos de estos contaminantes sobre el carbón activado también fue llevado a cabo, con vistas a poder delinear entre cuánto es debido a la adsorción del carbón activado y cuánto a la biotransformación. Con este novedoso sistema se obtienen elevadas velocidades de degradación para cada uno de los contaminantes estudiados, entre 0,14- 34,92 g L-1 d-1, a muy cortos tiempos espaciales. Por otra parte, la preparación y modificación superficial química de diferentes materiales carbonosos es estudiada en la tesis, teniendo en cuenta la posibilidad que brindan estos materiales de ser modificados y así aprovechar las ventajas de sus propiedades específicas únicas. Además, la mineralización completa del azo colorante Acid Orange 7 fue llevada a cabo en un sistema integrado anaerobio-aerobio, obteniéndose una eficiencia de remoción total de 80,28% en un tiempo de residencia hidráulico total del proceso de aproximadamente 49h.

Emergent pollutants are compounds with different origin and chemical nature, therefore they are difficult to be degrade in conventional wastewater treatment plants taking also into account their toxicity and difference in concentration. The utilization of biofilm reactors has proven to be an efficient process for the degradation of chemical compounds, due to a synergetic effect is produced between the biofilm and the support material which enhance the good capacities of both to retain and/or degrade these recalcitrant pollutants.Thus, the objective of this thesis has been the application of a novel anaerobic up-flow packed-bed reactor for the removal of some priority emergent pollutants.For this purpose anaerobic culture immobilized over activated carbon and/or carbonaceous material was utilized.Adsorption experiments of some studied pollutants were carried out over activated carbon, in order to delineate between how much is due to adsorption and how much to biotransformation. The results showed that with this novel system high degradation rates were obtained for each studied contaminants, between 0,14- 34,92 g L-1 d-1, at very short space times.On the other hand, preparation and surface chemistry modification of different carbon materials was studied in the thesis, taking into account the possibilities offered by these carbon materials to be modified and take benefit of their unique specific properties. Moreover, the complete mineralization of the azo dye Acid Orange 7 in an anaerobic-aerobic sequential system was investigated, obtaining a total removal efficiency of 80,28 % at total hydraulic residence time of approximately 49 h.