Biotecnología y ambiente Tratamiento de efluentes Biotecnología ambiental vs. industrial Variable Biotec ambiental Biotec industrial Objetivos Minimización de nutrientes Maximización productividad Bases Catabolismo Anabolismo Biomasa Mezcla (consorcios) Cepas específicas Tipo de proceso Continuo Batch Sustrato Mezcla (residuos) Puros y bien definidos Optimización Selección ecológica Ingeniería genética Ecología microbiana 1) Estructura de la comunidad 2) Potencial fenotípico 3) Función de la comunidad 4) Interrelaciones entre los miembros de la comunidad (organización espacial e intercambio de materiales) y de los microorganismos con el ambiente Concepto general sustrato transformación Compuesto orgánico (contaminante) CELULA aceptor de electrones • Oxígeno • Nitrato • Sulfato • otros Compuesto modificado pero no completamente eliminado Sistemas enzimáticos mineralización nutrientes • Nitrógeno • fósforo • metales (trazas) Contaminante destruído formación de CO2 + H2O Triángulo de la biodegradación Cond ambient pH Redox Temperatura Humedad Nutrientes BIODEGRADACION Compuesto Estructura propiedades Microorganismos Que hay que eliminar de los efluentes? • Compuestos orgánicos que consumen oxígeno - degradan el cuerpo receptor - interfieren con el balance de la vida acuática • Compuestos tóxicos • Organismos patógenos - afectan la salud humana Que hay que eliminar de los efluentes? • Compuestos orgánicos que consumen oxígeno - degradan el cuerpo receptor - interfieren con el balance de la vida acuática • Compuestos tóxicos • Organismos patógenos - afectan la salud humana Eliminación de compuestos que consumen oxígeno • Compuestos orgánicos que consumen oxígeno - degradan el cuerpo receptor - interfieren con el balance de la vida acuática Los tratamientos biológicos se basan en la capacidad de autodepuración Aumenta DBO baja conc OD Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) La cantidad de oxígeno disuelto requerida por microorganismos para estabilizar la materia orgánica Ensayo estandarizado para medir el grado de contaminación Demanda Química de Oxígeno (DQO) La materia orgánica se degrada químicamente utilizando un oxidante fuerte Otro ensayo estandarizado para medir el grado de contaminación Catabolismo oxidativo Semireacción: e- + H+ 1/4 O2 1/2 H2O Oxidación de materia orgánica: CxHyOz+ 1/4 (4x+y-2z) O2 x CO2+ y/2 H2O El problema está en la deficiencia de oxígeno Lagunas facultativas De donde viene el oxígeno? viento oxígeno oxígeno efluente crudo CO2, NH3, P bacterias oxígeno algas Sólidos sedimentables anaeróbico – El oxígeno es producido por algas fotosintéticas e introducido por aireación de la superficie – El oxígeno es subsecuentemente utilizado por bacterias aeróbicas para estabilizar (oxidar) la materia orgánica Lagunas aireadas De donde viene el oxígeno? El oxígeno se introduce con aireación mecánica Lagunas aeróbicas El oxígeno se introduce con aireadores Análisis de una laguna aeróbica Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l Tiempo de aireación del efluente = tiempo de crecimiento de microrganismos Tiempo de retención hidráulico (τ) = tiempo de retención celular (θ) Barros activados: el mismo principio, más compacto Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l 1. Mantener los sólidos (bacterias) en suspensión 2. Separar los sólidos (bacterias) del efluente tratado 3. Recircular los sólidos Proceso de barros activados: retención de biomasa Cámara de Sedimentador aireación Digestor Recirculación Leon Purga Proceso de barros activados Digestor Cámaras de aireación Sedimentador Proceso de barros activados Proceso de barros activados Qingreso Qing= Qegreso Va, Xa, Qrecirculación, Xr Vs Qegreso Va HRT = Qing Va iX a SRT ! Vp iX p Qpurga, Xp Se basa en la separación de los tiempos de retención hidráulico (HRT) del tiempo de retencíon celular (SRT) Microbiología de barros activados Las plantas de tratamiento reducen la DBO Qué queremos conocer de la comunidad bacteriana en plantas de tratamiento? Composición de microorganismos y su influencia en el funcionamiento del ecosistema? Activated sludge floc (CSLM) Full scale industrial WWTP Dynamic nature ofdeactivated sludge was La estructura las comunidades demonstrated bacterianas with es dinDGGE ámica Wang et al.., 2010 J Appl Microbiol doi:10.1111/j.1365-2672.2010.04742.x Qué queremos conocer de la comunidad bacteriana en plantas de tratamiento? Factores que regulan la estructura de la comunidad a lo largo de la escala temporal y sus consecuencias para el funcionamiento del ecosistema Activated sludge floc (CSLM) Full scale industrial WWTP Eliminación de P y N Ciclo del nitrógeno N2 NO2 NO3 - Nitrato como aceptor de electrones Semireacción: e- + 6/5 H++ 1/5 NO3- 1/10 N2 + 3/5 H2O Proceso se nitrificación- desnitrificación MLE MLR (NO3-) EFLUENTE AFLUENTE (NH4+) ANOXICO AEROBICO RAS Microbiología de la nitrificación Azul: Nitrosospira spp. NH4+ NO2- Rojo: Nitrospira NO2- Schramm et al., Identification and Activities In Situ of Nitrosospira and Nitrospira spp. as Dominant Populations in a Nitrifying Fluidized Bed Reactor (1998) Applied and Environmental Microbiology, 64: 3480-3485 NO3- Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) • La acumulación de P no es “luxury uptake” • Es una reserva de energía • PPi se trata posiblemente de una forma primitiva de mantener enlaces de alta energía (anterior al ATP) liberacion Pi TOC PO4-P Acumulación PHA } ΔPi PHA ANAEROBICO AEROBICO Enhanced Biological P Removal (EBPR) Anaerobico P ingreso 5 mg.l-1 liberación de P Anoxico y/o aerobico barro excedente P uptake P (anaerób) 15 mg.l-1 P (aerób) < 1 mg.l-1 - PHB - poli P Enhanced Biological P Removal (EBPR) P es retenido por PAO y se elimina del sistema en con el barro excedente ANAEROBICO EFLUENTE AFLUENTE ANOXICO AEROBICO WAS (con exceso de P) Polyphosphate accumulating organisms (PAO) EUBmix (green) and the rod-APAO probe Actino658 (red) Bright-field MAR image showing that most coccus-APAO (shown with squares) and a few RPAO (shown with ellipses) seen in panel C take up 33Pi aerobically after an anaerobic preincubation with casaminoacids. The coccus-APAO (yellow) take up labeled oleic acid anaerobically. Kong et al., Identity and Ecophysiology of Uncultured Actinobacterial Polyphosphate-Accumulating Organisms in Full-Scale Enhanced Biological Phosphorus Removal Plant. Appl. Environ. Microbiol. (2005) 71: 4076-4085 Glycogen accumulating organisms (GAO) glucogeno PHA propionato Meyer et al., Putative glycogen-accumulating organisms belonging to the Alphaproteobacteria identified through rRNA-based stable isotope probing Microbiology (2006)152: 419-429 Anammox Oxidación anaeróbica de amonio NH4+ N2 anammox NO2 NO3 - Oxidación anaeróbica de amonio Z Allg Mikrobiol. 1977;17(6): 491-3. Mulder A, Van de Graaf AA, Robertson LA& Kuenen JG (1995) Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor. FEMS Microbiol. Ecol. 16: 177-183 Oxidación anaeróbica de amonio Annamox: aplicaciones biotecnológicas Annamox: aplicaciones biotecnológicas 2NH4+ + 1.5O2 = NH4+ + NO2 - + H2O + 2H+ NH4+ + NO2- = N2 + 2H2O 2NH4+ + 1.5O2 = N2 + 3H2O + 2H+ Annamox: aplicaciones biotecnológicas • 100% ahorro de fuente de C (e.g. metanol) • 50% ahorro de oxígeno • 90% reducción de costos operativos • > 100% de disminución de emisión de CO2 Annamox: aplicaciones biotecnológicas 500 kg N/d Oxidación anaeróbica de amonio Oxidación anaeróbica de amonio Anammox: pathway metabólico Involvement of a novel hydroxylamine oxidoreductase in anaerobic ammonium oxidation. Biochemistry. 2000 39: 5405-12. Anammoxosoma:propiedades de la membrana NATURE | VOL 419 | 17 OCTOBER 2002 Oxidación anaeróbica de amonio M. Schmid et al., Candidatus "Scalindua brodae", sp. nov., Candidatus "Scalindua wagneri", sp. nov., two new species of anaerobic ammonium oxidizing bacteria.Syst Appl Microbiol. (2003) 26: 529-38. Candidatus "Anammoxoglobus propionicus" a new propionate oxidizing species of anaerobic ammonium oxidizing bacteria.Syst Appl Microbiol. (2007) 30: 39-49 Oxidación anaeróbica de amonio Oxidación anaeróbica de amonio NATURE | VOL 422 | 10 APRIL 2003 | Oxidación anaeróbica de amonio www.anammox.com Eliminación de fósforo Primeras evidencias: • AS Flujo pistón, alta carga, final anaeróbico y liberación de P • La liberación de P se producía en anaerobiosis si había suficiente DBO presente (formación de productos de fermentación) • En condiciones aeróbica se podía producir la reincorporación de P • Acumulación de polifosfato en PAO • Ciclos de anaerobiosis/aerobiosis son esenciales • Ciclos de anaerobiosis/aerobiosis seleccionan PAO (aerobios) ? Otras tecnologías (biofilms, membranas) Tratamientos en biofilm • Biofilm – las bacterias en el biofilm degradan compuestos orgánicos – biofilm desarrollan en casi cualquier superficie Tratamientos en biofilm distribuidor rotativo Lecho de relleno Efluente crudo Efluente tratado HRT= 8-20 minutos Tratamientos en biofilm Tratamientos en biofilm Trickling filter Planta depuradora Sudoeste AYSA S.A. Materiales de relleno Sistemas híbridos: MBBR Moving Bed Biofilm Reactor Sistemas híbridos: MBBR Sistemas híbridos: MBBR Rotating Biological Contactors (RBC) Reactor Biológicos con Membranas MBR X Reactor Biológicos con Membranas MBR Reactor Biológicos con Membranas MBR Reactor Biológicos con Membranas MBR sumergidas exteriores Reactor Biológicos con Membranas MBR Delphos, Ohio. Septiembre 2006 Volumen promedio: 15.106 l/d Costo: U$S 37.000.000 Reactor Biológicos con Membranas MBR MBR para crucero de 5600 p.e. 64 membranas Alemania, , año 2010 Reactor Biológicos con Membranas MBR Tratamiento anaeróbico catabolismo oxidativo Reacción redox donde la materia orgánica resulta oxidada por un agente oxidante CH3COOH + 2 O2 CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + 207 Kcal CO2 + 2 H2O + 191 Kcal catabolismo fermentativo Consiste en la redistribución de electrones en la molécula fermentada formándose como mínimo dos productos (una forma más oxidada y una forma más reducida que el compuesto original) catabolismo fermentativo CH3COOH CO2 + CH4 + EFERM (1) CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + 191 Kcal (2) CH3COOH + 2 O2 2 CO2 + 2 H2O + EFERM + 191 Kcal 207 Kcal EFERM = 16 Kcal/mol catabolismo fermentativo Eferm= 0.08 * Eoxid ¿Dónde está el 92% restante? CH4 Tratamiento anaeróbico Reading, UK Utilización de DQO aeróbico anaeróbico Tratamiento anaeróbico CO2 (40-50%) DQO (100%) Biogas (CH4) (70-90%) DQO (100%) reactor aeróbico barro (50-60%) efluente (5-10%) reactor anaeróbico barro (5-15%) efluente (10-30%) Upflow anaerobic sludge bed (UASB) Upflow anaerobic sludge bed (UASB) Leiner Santafesina de Gelatinas SA Q: 3120 m3/d (9360 kg DBO/d) Upflow anaerobic sludge bed (UASB) Reactor de circulación interna (IC) biogas efluente 1er zona de recuperación de biogas alimentación Otras configuraciones EGSB AF ABR AC Consideraciones finales Aspectos históricos del tratamiento de efluentes 1914 1994 1913 First laboratory experiments on activated sludge by Fowler, Ardern and Lockett at University of Manchester, UK. 1916 First full-scale activated sludge plant at Worcester. Largescale tests in the US. First full-scale AS plant in US at Houston, TX. 1922 Activated sludge plant built at Soelleroed, Denmark. 1924 Pilot AS plant in Germany at Essen. 1926 Full-scale AS plant at Rellinghausen, Germany. 1927 Kessener brush aeration, Apeldoorn, the Netherlands. 1936 Denitrification used in Sheffield. 1964 Development of basis for consistent nitrification by Downing, Painter and Knowles, WPRL, Stevenage, UK 1972 Biological phosphorus removal (EBPR) described by Barnard in South Africa. 1970s Development of dynamic process computer models by WRc and IAWPRC. 1990s Membrane biological reactors (MBR) developed in Japan Fuente: P. F. Cooper. Historical aspects of wastewater treatment. En. Decentralised Sanitation and Reuse: Concepts, Systems and Implementation.(2001) Edited by P. Lens, G. Zeeman and G. Lettinga. IWA Publishing Aspectos históricos del automovil 1905 Curved Dash Oldsmobile 1994 •1908 Ford T - It used a planetary transmission , had a pedal-based control system. •1932 Ford V-8 - Ford introduced their powerful Flathead V8 •1934 Bugatti Type 57 - A high-tech and refined automobile for the rich •1934 Citroën Traction Avant - The first mass-produced front-wheel drive car, was a technology masterpiece. •1949 Oldsmobile 88 - Introduced the high-compression V8 engine to the masses •1961 Jaguar E-type - The E-type set the standard for design and innovation •1962 BMC ADO16 - This front wheel drive car dominated sales in the UK •1962 Ferrari 250 GTO - The first supercar •1964 Pontiac GTO - A high-performance model and back in just 10 years. •1954 Chevrolet Corvette - An American masterpiece of automotive engineering. •1969 Datsun 240Z- Paved the way for decades of Japanese strength •1974 VW Golf - The exemplary modern compact car, with a square hatchback body, transverse straight-4 engine, and room for five passengers. •1977 Honda Accord sedan - Set the stage for today's upscale Asian sedans. •1983 Chrysler minivans - The two-box minivan design •1986 Ford Taurus- Mid-sized front wheel drive sedan with modern Computer Assisted Design •1992 Chrysler Concorde, Dodge Intrepid, Eagle Vision- These evolutionary styled cars shaped the future of passenger cars in the 90's. •1975 BMW 3-Series - A compact car that provides luxury and performance •1993 Jeep Grand Cherokee - The archetypal upscale SUV with four-wheel drive, V8 power, and a luxurious interior Hacia adonde va el tratamiento de efluentes? 1914 2010 1994 2020 Hacia adonde va el tratamiento de efluentes? Efluentes como fuente renovable • agua + Water Sci Technol 2007, 55 (1-2) 441-448 - www.sdcwa.org/manage/2005UWMP.phtml • materiales : - fertilizantes - bioplásticos - energía