Evaluación de la contribución hidrodinámica en la granulación microbiana en reactores EGSB hidrogenogénicos

Abstract

"Los agregados microbianos, tales como los gránulos y biopelículas, juegan un papel importante en los sistemas anaerobios de producción de energía (hidrógeno y metano). En el presente trabajo se estudió el efecto que tiene la hidrodinámica en la formación de lodos granulares, empleando reactores de lecho de lodo granular expandido (EGSB, por sus siglas en Inglés, Expanded Granular Sludge Bed). Se aplicaron dos tipos de pretratamiento del inóculo, térmico y lavado celular (reactores EGSB1 y 2), evaluándose el efecto de diferentes velocidades ascensionales (2.5, 3.5 y 4.5 m/h, para los reactores EGSB1 y 2, EGSB3 y EGSB4, respectivamente) en la formación de los gránulos. Todos los reactores se alimentaron con glucosa como sustrato, a una velocidad de carga orgánica de 25.6 g DQO/L/d, un TRH de 10 h, una temperatura de 25°C y un pH de 5.5 por 24 días. Los resultados obtenidos señalan que la velocidad ascensional de 4.5 m/h mostró mayor velocidad volumétrica de producción de hidrógeno (VVPH) con un valor promedio de 1.19 L H2/L/d y el mejor rendimiento con un valor de 0.46 mol H2/mol de sustrato. En todos los experimentos se obtuvieron gránulos de color crema-café, y solo en el reactor EGSB2 fueron totalmente de color crema. Se encontraron gránulos con diámetros de hasta 2.2 mm en el EGSB3 y 2 mm en el EGSB4. Las imágenes de SEM revelaron en todos los gránulos morfologías de tipo bacilares y cocos. Se observó que la relación proteínas/carbohidratos (P/C) aumentó conforme se incrementó la velocidad ascensional siendo estos valores de 0.12, 0.23 y 0.33 para el EGSB1, EGSB3 y EGSB4, respectivamente. En cuanto al diámetro de los gránulos obtenidos, en el EGSB1 fueron más abundantes los de menor tamaño (40-366 μm), mientras que, conforme se aumentó la velocidad ascensional se observó un incremento en la cantidad de gránulos de mayor tamaño, de entre 583 y 2259 μm para el EGSB3 y de entre 583 y 2005 μm para el EGSB4. Las velocidades de sedimentación de los gránulos estuvieron entre 8.04 m/h para los gránulos de menor tamaño, y hasta de 27 m/h para los de mayor tamaño. Las densidades de los gránulos variaron entre 998 y 1003 Kg/m3. La actividad hidrogenogénica específica fue mayor para los gránulos del EGSB4, 424.29 mL H2/g SSV/d. Los principales metabolitos secundarios en el efluente fueron formiato, acetato, butirato y propionato, siendo este último el de mayor concentración en todos los reactores. La resistencia mecánica de los gránulos formados usando biomasa sometida a lavado celular (EGSB2) fue muy baja, lo que provocó que se desintegraran durante su manipulación; así mismo, también mostraron los menores valores de actividad hidrogenogénica específica con 43.09 mL H2/g SSV/d. El presente trabajo demuestra de manera clara el papel que juega la hidrodinámica (velocidad ascensional) en la formación, características y desempeño de los gránulos hidrogenogénicos."

"Microbial aggregates, such as biofilms and granules, play a key role in the energy producing anaerobic systems. In the present work the effect of the hydrodynamic conditions on the development of granular sludge using expanded granular sludge bed (EGSB) reactors was studied. Two types of inoculum pretreatment were applied, heat treatment and biomass wash-out (EGSB1 and 2), evaluating the effect of the up-ward liquid velocity (2.5, 3.5 and 4.5 m/h, for EGSB1 and 2, EGSB3 and EGSB4, respectively), in the formation of granules. All the experiments were performed in EGSB reactors fed with glucose as substrate at an organic loading rate of 25.6 g COD/L/d, a HRT of 10 h, 25 ° C, and a pH of 5.5 during a total operation period of 24 days. The results obtained indicate that the up-ward liquid velocity of 4.5 m/h showed a better volumetric hydrogen production rate than the other reactors with 1.19 L H2/L/d, and the best hydrogen yield of 0.46 mol H2/mol of substrate. In all the experiments creamy-brown color granules were obtained, and only in the EGSB2 were completely cream. Granules with diameter up to 2.2 mm, in EGSB3, and up to 2 mm, in EGSB4, were found. In the granules of all reactors, SEM images revealed bacillary and coccoid morphologies. It was observed that the protein/carbohydrate (P/C) ratio increased as the up-ward liquid velocity was increased; these values were 0.12, 0.23 and 0.33, for EGSB1, EGSB3 and EGSB4, respectively. Regarding the diameter of the granules, in EGSB1 were more abundant the smaller ones (40-366 μm), whereas as the up-ward liquid velocity was increased larger granules were observed (583-2259 μm and 583-2005 μm for EGSB3 and EGSB4, respectively). The settling velocities of the granules were between 8.04 m/h, for the smaller granules, and up to 27 m/h for the largest ones. The densities of the granules varied between 998 and 1003 kg/m3. The specific hydrogenogenic activity was greater for the EGSB4 granules, 424.29 mLH2/g SSV/d. The main metabolites produced were formate, acetate, butyrate and propionate, being the latter the one with the highest concentration in all reactors. The mechanical strength of the granules formed using biomass subjected to cell wash-out (EGSB2) was very weak, leading to disintegration during handling, likewise these granules also showed the lowest values of specific hydrogenogenic activity, 43.09 mL H2/g SSV/d."