Continuous wastewater treatment by trametes versicolor immobilized on lignocellulosic support

Abstract

En el darrer segle, la contaminació de l'aigua s'ha convertit en un problema important que afecta a una gran part de la població i al medi ambient. La contaminació es deu principalment a les descàrregues d'aigües residuals no tractats o tractats inadequadament. Les plantes de tractament d'aigües residuals convencionals solen eliminar els compostos orgànics, però no estan dissenyades per eliminar altres contaminants com els microcontaminants, de manera que aquests es podem descarregar directament al medi ambient juntament amb el efluents. Entre els possibles tractaments, els fongs de podridura blanca s'han convertit en una tecnologia prometedora per al tractament d'aigües residuals, ja que poden eliminar una àmplia gamma de contaminants complexos a causa del seu sistema enzimàtic ligninolític inespecífic. S'han estudiat els fongs de podridura blanca per a l'eliminació de diferents microcontaminants en aigües residuals, però el creixement de microorganismes natius de les aigües residuals ha fet que l'operació en continu en reactor duri poc temps degut a la disminució en les eficiències d'eliminació. Com alternativa a aquest problema, la present tesi proposa l'aplicació d'un bioreactor utilitzant el fong de podridura blanca T. versicolor immobilitzat sobre un suport lignocel·lulòsic per resoldre aquest problema i permetre així el tractament en continu de les aigües residuals durant llargs períodes de temps. En primer lloc, es va realitzar una selecció del substrat amb l'objectiu de seleccionar el millor material lignocel·lulòsic per al creixement fúngic i la fusta de palets es va seleccionar per als següents experiments. Es van realitzar estudis d'immobilització en un bioreactor de llit fluïditzat. Es van obtenir bons resultats amb pellets formats amb un cor de fusta, però el procés resultant no es escalable, per això es van proposar nous sistemes. Es va desenvolupar i operar un bioreactor de filtre percolador i un bioreactor de llit fix. Ambdós van operar en continu durant llargs períodes de temps amb T. versicolor immobilitzats sobre fusta de pallets i van ser emprats per al tractament d'aigües residuals procedents de diferents fonts: aigües residuals hospitalàries amb compostos farmacèutics actius, aigües residuals industrials de processament d'aliments amb àcids húmics i aigües residuals de zones rurals amb plaguicides. L'optimització de les condicions operatives és un tema clau per millorar el rendiment del reactor. Al bioreactor de filtre percolador, es van optimitzar la relació de recirculació i el volum total. D'altra banda, en el bioreactor del llit fix es van realitzar estudis preliminars de pH, biomassa fúngica, sorció sobre la fusta i aeració.

En el último siglo, la contaminación del agua se ha convertido en un problema importante que afecta a una gran parte de la población y al medio ambiente. La contaminación se debe principalmente a las descargas de aguas residuales no tratadas o tratadas inadecuadamente en cuerpos de agua. Las plantas convencionales de tratamiento de aguas residuales generalmente eliminan los compuestos orgánicos, pero no están diseñadas para la eliminación de otros contaminantes como los microcontaminantes, por lo que estos pueden ser descargados junto con los efluentes directamente al medio ambiente. Entre las posibles tecnologías para el tratamiento de aguas residuales, los hongos de podredumbre blanca se han convertido en una alternativa prometedora porque pueden eliminar una amplia variedad de microcontaminantes debido a que presentan un sistema enzimático ligninolítico inespecífico. Los hongos de podredumbre blanca se han estudiado para la eliminación de una amplia gama de microcontaminantes en aguas residuales, pero el crecimiento excesivo de bacterias nativas del agua residual por lo general produce una disminución en las eficiencias de eliminación acortando la operación en continuo de los biorreactores. Como alternativa a este problema, la presente tesis propone la aplicación de un biorreactor utilizando el hongo de podredumbre blanca T. versicolor inmovilizado sobre un soporte lignocelulósico. Esta estrategia permitiría el tratamiento en continuo de aguas residuales durante largos periodos de operación. En primer lugar, se realizó un estudio con el objetivo de seleccionar el material lignocelulósico óptimo para el crecimiento de T. versicolor eligiéndose la madera de palé para los siguientes experimentos. Los posteriores estudios de inmovilización se realizaron en un biorreactor de lecho fluidizado. Se obtuvieron buenos resultados con el hongo auto-immobilizado sobre madera formado un pellet, pero el proceso no resultó escalable por lo cual se propusieron nuevos sistemas alternativos. Se desarrolló y operó un biorreactor de filtro percolador y un biorreactor de lecho fijo utilizando T. versicolor inmovilizado sobre madera de palé para el tratamiento en continuo de aguas residuales durante largos periodos de operación. Ambos reactores se emplearon para el tratamiento de aguas residuales de diferentes orígenes: aguas residuales hospitalarias con compuestos farmacéuticos activos, aguas residuales industriales de procesadoras de alimentos con ácidos húmicos y aguas residuales de áreas rurales con pesticidas. La optimización de las condiciones operacionales resulta una cuestión clave para mejorar el rendimiento de los reactores. Por un lado, en el biorreactor de filtro percolador, se optimizaron la relación de recirculación y el volumen total de trabajo. Por otro lado, en el biorreactor de lecho fijo se realizaron estudios preliminares de pH, cantidad de biomasa, sorción en la madera y aireación. En conclusión, ambos sistemas con T. versicolor inmovilizados sobre madera de palé resultaron ser una buena alternativa para el tratamiento en continuo de diferentes aguas residuales durante largos periodos de tiempo. El biorreactor de filtro percolador logró eliminar el 61% de los compuestos activos farmacéuticos presentes en aguas residuales hospitalarias durante 85 días; el 50% de eliminación de ácido húmico presentes en aguas residuales industriales durante 26 días; y la eliminación del 84% de diuron durante 18 días utilizando agua sintética. En el biorreactor de lecho fijo se obtuvo más del 90% de eliminación de diuron durante 50 días operando con agua real de origen rural.

Over the last century, the water pollution has become a major problem which affects a large part of population and the environment. It is originated principally due to the discharges of untreated or inadequately treated wastewater in water bodies. Conventional wastewater treatment plants (WTTPs) typically remove organic compounds, but they are not designed to remove other pollutants such as micropollutants, so they can be discharged into the environment together with the effluents from the WTTPs. Among the possible treatments, white-rot fungi (WRF) have become a promising alternative for the wastewater treatment because it can remove a wide range of micropollutants due to their nonspecific ligninolytic enzymatic system. WRF have been studied for the removal of a wide range of micropollutants in real wastewater, but the bacteria overgrowth usually produced a decline in removal efficiencies and consequently short-term operations are obtained. The present thesis proposes the application of a bioreactor system using the WRF Tramentes versicolor immobilized on a lignocellulosic support, to solve this problem and to allow the continuous long-term wastewater treatment. First of all, a substrate screening was performed in order to select the best lignocellulosic material for fungal growth. The pallet wood was selected for the following experiments. Immobilization studies were performed in a fluidized bed bioreactor. Good results were obtained with complex wood pellets, but the process results not scalable, hence new systems were proposed. A trickle-bed bioreactor and a packed-bed bioreactor were developed and operated in a continuous long-term treatment with T. versicolor immobilized on pallet wood. Both reactors were employed for the treatment of wastewater from different sources: hospital wastewater with pharmaceutical active compounds, food-processing industrial wastewater with humic acids and rural area wastewater with pesticides. The optimization of operational conditions is a key issue to improve the reactor performance. In the trickle-bed bioreactor, the recycling ration and the total volume were optimized. Meanwhile, in the packed-bed bioreactor preliminary studies of pH, fungal biomass, wood sorption and aeration were carried out. In conclusion, both bioreactors systems with T. versicolor immobilized on pallet wood are a good alternative for the continuous long-term treatment of different wastewaters. The trickle-bed bioreactor achieved 61% of PhACs removal from hospital wastewater during 85 days; 50% humic acid removal from industrial wastewater for 26 days; and 84% diuron removal from synthetic tap water during 18 days. In the packed-bed bioreactor treating real wastewater, more than 90% removal of diuron was obtained during 50 days