Aplicación de Nitrosomonas y Nitrobacter en forma de biopelícula para la nitrificación biológica en reactores de lecho fijo

Abstract

El trabajo se ha desarrollado en el marco del proyecto MELISSA (Micro Ecological LIfe Support System Alternative) de la Agencia Europea del Espacio. Este proyecto se basa en el diseño de un Sistema de Soporte de Vida basado en microorganismos que pretende gestionar la atmósfera a partir de la transformación de los residuos generados en alimento comestible. Uno de las partes del proyecto es un biorreactor de nitrificación biológica, dicha parte es la que se desarrolla en el presente trabajo. Se ha realizado la caracterización de la operación del proceso de nitrificación biológica en forma de biopelícula en reactores de lecho fijo, para lo cual se han utilizado un reactor a escala piloto (de aproximadamente 8 L de volumen total), y tres reactores a escala laboratorio (de 0.65 mL de volumen total) con las bacterias Nitrosomonas europaea (ATCC 19718) y Nitrobacter winogradskyi (ATCC 25391) inmovilizadas sobre cuentas de poliestireno (Biostyr®). <br/><br/>Dentro de la parte de desarrollo de los reactores, se implementó la instrumentación básica y se configuró el control de las principales variables biotecnológicas que afectan al proceso de nitrificación biológica en biopelícula: pH, temperatura, oxígeno disuelto, presión, control de nivel, etc. Para profundizar en el conocimiento de este tipo de reactores se realizó una caracterización física en la que principalmente se estudió la mezcla de la fase líquida y la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno de la fase gas a la líquida. Posteriormente se definió y validó un modelo que permite describir la mezcla de la fase líquida en los reactores de lecho fijo que se utilizaron.<br/><br/>Con ambos tipos de biorreactores se realizaron experimentos en continuo de nitrificación biológica para determinar el efecto de las principales variables que afectan al proceso: carga amoniacal, temperatura y oxígeno disuelto. A partir del análisis de éstos experimentos se ha definido y validado un modelo dinámico que permite describir satisfactoriamente los resultados experimentales obtenidos e interpretar diferentes aspectos con relación a la nitrificación biológica, como son la respuesta del sistema ante perturbaciones de carga amoniacal ya sea debido a variaciones en el tiempo de residencia hidráulico o variaciones de la concentración de amonio en el alimento.

The present work has been developed in the frame of the MELISSA project (Micro Ecological LIfe Support System Alternative) of the European Space Agency (ESA). The aim of the project is the design of a Life Support System based in microorganisms, to manage the atmosphere from the transformation of the generated wastes into edible matter. A part of the project is a biological nitrifying bioreactor, which is developed in the present work. A complete characterisation of the operation of the biofilm nitrification process in fixed bed reactors has been carried out. To this purpose, a pilot reactor (8 L of total volume) and three bench reactors (0.65 L of total volume) with immobilised biomass (Nitrosomonas europaea, ATCC 19718 and Nitrobacter winogradskyi, ATCC 25391) onto the surface of polystyrene beads (Biostyr®, used as physical support of the bacteria) were used.<br/><br/>In the part of reactor development, the basic instrumentation and control configuration of the main biotechnological variables that have direct influence in the biofilm nitrification process were implemented: pH, temperature, dissolved oxygen, pressure, level control, etc. To go deeply into the study of the behaviour of these reactors, a physical characterisation was carried out. Mainly, the liquid phase mixing and the oxygen mass transfer coefficient from the gas to the liquid phase were studied. After this, a mathematical model was defined and validated in order to describe the liquid phase mixing in the fixed bed reactors used.<br/><br/>Biological nitrifying experiments operating in continuous mode were carried out using both, pilot and bench reactors, to determine the effect of the main variables that have strong influence on the process: ammonium input load, temperature and dissolved oxygen. From the analysis of the experiments, a dynamic model that allow the proper description and interpretation of the experimental results obtained has been defined and validated. This model provides a suitable description of the system response against perturbations in the ammonium load, due to changes in the residence time used or, on the other hand, after variations in the input ammonium concentration.