Strategies to immobilize humic substances for their application on the reductive biotransformation of recalcitrant pollutants

Abstract

"Las sustancias húmicas (SH) y sus compuestos análogos, como las quinonas, han sido empleados como mediadores redox (MR) para acelerar la conversión de contaminantes prioritarios susceptibles a reacciones de óxido-reducción (redox), como colorantes azo, compuestos polihalogenados alifáticos y aromáticos, así como nitroaromáticos, los cuales son persistentes o escasamente reducidos en los sistemas de tratamiento anaerobios de aguas residuales. La aplicación de SH o sus análogas quinonas han mejorado significativamente la conversión redox de dichos contaminantes. Sin embargo, la principal limitación en la aplicación de las SH como MR en los sistemas de tratamiento en continuo, es que demanda su adición continua para incrementar las tasas de conversión, lo cual no es viable desde el punto de vista económico y ambiental. Por lo tanto, recientemente se han explorado varias estrategias para inmovilizar SH y quinonas modelo, con el objetivo de desarrollar sistemas que integren la capacidad redox de MR inmovilizados y promover incrementos en las tasas de conversión. Esta tesis se enfocó en evaluar dos diferentes estrategias de inmovilización de SH (SH adsorbidas sobre resinas de intercambio iónico y sobre nanopartículas de γ-Al2O3) para aplicarlas en la biotransformación redox de contaminantes recalcitrantes en experimentos en lote y en bioreactores operados en flujo continuo. Adicionalmente, este trabajo evaluó la capacidad redox de SH extraídas de ambientes y residuos ricos en materia orgánica, con el fin de promover la aplicabilidad de SH inmovilizadas extraídas de fuentes naturales en el tratamiento de contaminantes recalcitrantes. Los resultados presentados en este trabajo demostraron por primera vez, que las SH inmovilizadas pudieron servir como MR de fase sólida efectivos para promover la remoción simultánea de fenol y rojo reactivo 2 (RR2) en un reactor UASB, durante periodos de operación prolongados sin la necesidad de la constante adición del MR. El reactor UASB suplementado con SH inmovilizadas, logró eficiencias de eliminación de fenol y RR2 superiores al 70 % y 85 % respectivamente (Capítulo 3). Los resultados presentados en el capítulo 4 demostraron que fue posible lograr la co-inmovilización de microorganismos reductores de humus (MRH) con SH soportadas sobre nanopartículas (NP) de γ-Al2O3, como una novedosa estrategia de inmovilización de SH."

"Humic substances (HS) and quinone analogues, have lately been explored as redox mediators (RM) for accelerating the redox conversion of priority pollutants, such as azo dyes, aliphatic and aromatic poly-halogenated contaminants, as well as nitroaromatics, which are persistent or poorly reduced in anaerobic wastewater treatment systems. The application of HS or quinone analogues has significantly enhanced the redox conversion of these pollutants. However, the main limitation for the application of HS as RM in continuous wastewater treatment sytems is that their continuous addition must be provided to increase conversion rates, which is economically and environmentally non-viable. Therefore, several attempts to immobilize HS and quinone model compounds have recently been explored to develop engineered systems integrating the redox mediating capacity of immobilized RM in order to promote enhanced conversion rates. This thesis was focused on evaluating two different strategies of immobilization HS (HS adsorbed on an anion exchange resin and on γ-Al2O3 nanoparticles) to achieve the redox biotransformation of recalcitrant pollutants in batch cultures and in bioreactors operated in continuous flow experiments. Additionally, this work evaluates the redox mediating capacity of HS derived from organic rich environments and wastes, in order to promote the applicability of immobilized HS derived from natural sources in the removal of recalcitrant pollutants. The results presented in this work demonstrated for first time that immobilized HS could serve as effective solid-phase RM promoting the simultaneous removal of phenol and reactive red 2 (RR2) in long-term operation of a UASB reactor without the need of continuous supply of the RM. The UASB reactor supplied with immobilized HS, achieved phenol and RR2 removal efficiencies higher than 70% and 85 % respectively, throughout the long-term experiments (Chapter 3). The results presented in Chapter 4 demonstrated that it was possible to achieve the coimmobilization of humus reducing microorganism (HRM) with HS supported on γ- Al2O3 nanoparticles (NPs), as a novel strategy of immobilization of HS. Larger granules with appropriate agglomeration of biomass and γ-Al2O3 NPs were obtained in the presence of HS as compared to those produced in the absence of HS."