Characterization of s-oxidizing biomass through respirometric techniques under anoxic and aerobic conditions

Abstract

La monitorització de l’activitat biològica en biofiltres percoladors és complexa ja que implica l’estimació de la concentració de biomassa i el rendiment de creixement. Aquestes dades no són senzilles de calcular quan la biomassa creix de forma immobilitzada. En aquesta tesi es porta a terme la caracterització de biomassa sulfuroxidant extreta de diferents biofiltres percoladors, emprats per a la desulfuració de biogas, a través de tècniques respiromètriques i titrimètriques. Durant l’estudi realitzat amb biomassa SO-NR i tiosulfat com a donador d’electrons, no es va observar competència entre el consum de nitrat i de nitrit. Els productes finals de la reacció depenien de la relació inicial S2O3 2--S/NO3 --N però aquesta relació no tenia efectes sobre les velocitats de consum de tiosulfat ni de desnitrificació. Dels perfils respiromètrics també es va observar que els consums específics de nitrit depenien de les característiques de la biomassa. La respirometria anòxica acoblada a la titrimetria va ser la metodologia emprada per a resoldre l’estequiometria de la desnitrificació en dues etapes (NO3-NO2- N2). El model cinètic proposat per a descriure la desnitrificació es va calibrar i validar estimant els paràmetres cinètics que descrivien els perfils respiromètrics fent servir nitrat i nitrit amb biomassa aclimatada i no aclimatada a nitrit. Finalment, un cop a desnitrificació va ser ben caracteritzada, es va utilitzar sulfur com a donador d’electrons i es va proposar, calibrar i validar un model cinètic que descrivís completament el procés biològic. Un cop caracteritzada la biomassa SO-NR es va utilitzar la respirometria LFS per a estudiar els mecanismes implicats a la oxidació biològica de sulfur i sofre en condicions aeròbies. Fenòmens com l’stripping o oxidació química del suflur també es va caracteritzar ja que podien interferir a la mesura de l’activitat biològica. L’estequiometria del procés així com els mecanismes de degradació i el model cinètic es van proposar. El model es va calibrar i validar amb els perfils respiromètrics sense incloure cap selectivitat cap a la formació de sofre o sulfat en funció de la relació O2/S disponible. Es va observar que els bacteris consumien preferentment el sulfur tot i haver un excés d’oxigen al medi. En aquest cas es va utilitzar un model de consum de partícules per a descriure la oxidació del sofre ja que l’equació de Monod no descrivia un perfil tan sensible com el de l’oxigen dissolt. L’últim estudi inclòs en aquesta tesi és el d’aplicació d’una tècnica novedosa, la respirometria heterogènia, per a avaluar l’activitat biològica de les cèl·lules en estat immobilitzat. Es van estudiar els fenòmens de transferència de matèria, així com l’activitat sulfur-oxidant amb dos tipus de material de rebliment obtinguts de biofiltres percoladors. Es va desenvolupar un model matemàtic per a determinar els coeficients cinètics així com les propietats morfològiques del biofilm. Es va observar que la difusió de l’oxigen és el pas limitant en aquells biofilms amb elevada activitat biològica.

Monitoring the biological activity in biotrickling filters (BTF) is difficult since it implies estimating biomass concentration and its growth yield, which can hardly be measured in immobilized biomass systems. In this study, the characterization of sulfur oxidizing biomass (SOB) obtained from different desulfurizing BTFs was performed through the application of respirometric and titrimetric techniques. The study performed with SO-NR biomass and thiosulfate as electron donor revealed that no competitive inhibition occurred when nitrate and nitrite were present in the medium. Moreover, final bioreaction products depended on the initial S2O3 2--S/NO3 --N ratio although such ratio did not affect thiosulfate oxidation or denitrification rates. Moreover, respirometric profiles showed that the specific nitrite uptake rate depended on the biomass characteristics. Then, the coupling of respirometry and titrimetry was the method used to solve the two-step denitrification (NO3 - NO2 - N2) stoichiometry. Afterwards, a kinetic model describing denitrification associated to thiosulfate oxidation was calibrated and validated through the estimation of several kinetic parameters from the fitting of experimental respirometric profiles using the stoichiometry previously solved. The profiles were obtained using either nitrate or nitrite as electron acceptors for acclimated and non-acclimated biomass to nitrite. Finally, sulfide was used as electron donor and again a kinetic model was proposed, calibrated and validated using the procedure developed in previous chapters. After the characterization of SOB under anoxic conditions, the LFS respirometry was used in order to find out which were the mechanisms involved in biological sulfide oxidation under aerobic conditions. Other physical-chemical phenomena, as H2S stripping or chemical oxidation of H2S(aq), were characterized since they might cause interference over the biological activity measurement. Besides the stoichiometry of the process, a kinetic model describing each of the reactions occurring during sulfide oxidation was calibrated and validated. No product selectivity was found related with the O2/S ratio available in the medium. Moreover, it was found that sulfide was preferentially consumed and oxidized to elemental sulfur even though an excess of oxygen was present in the medium. The shrinking particle equation was included in the kinetic model to describe elemental sulfur oxidation since the oxygen profile could not be described with a simple Monod equation. As an innovative technique, the heterogeneous respirometry was applied to assess the biological activity of immobilized cells (biofilm). Mass transport and the activity of sulfide-oxidizing biofilms attached on two types of packed beds, originated from operative biotrickling filters, were studied under aerobic conditions. A mathematical model for the determination of kinetic-related parameters such as the maximum OUR and morphological properties of biofilm was developed and calibrated. It was found that the oxygen diffusion rate was the limiting step in the case of very active biofilms.