Remoción de plomo a través de su precipitación con sulfuro biogénico empleando un reactor de biopelícula en membranas

Abstract

"La contaminación de agua por metales es uno de los problemas ambientales que ha conducido al desarrollo de una gran cantidad de tecnologías para su tratamiento y reutilización. El reactor de biopelícula en membranas (membrane biofilm reactor, MBfR por sus siglas en Inglés) es una alternativa biotecnológica con capacidad para remover contaminantes dada la actividad de una compleja comunidad microbiana que crece en forma de biopelículas que son capaces de transformar diversos contaminantes a sustancias menos nocivas o inertes para el ser humano. El MBfR, utiliza varios sustratos gaseosos como donadores de electrones, entre los que destaca el hidrógeno (H2). Este reactor se ha utilizado para la remediación de contaminantes de aguas subterráneas; sin embargo, el MBfR tiene el potencial de ser aplicado para el tratamiento de aguas provenientes de procesos industriales, como aquellos efluentes generados en la extracción y/o procesamiento de metales. En la presente investigación, se aplicaron dos MBfR con el fin de determinar su viabilidad en el tratamiento de un agua rica en sulfatos (585 mg/L) y plomo (50, 100 y 200 mg/L), en los cuales, se favoreció el crecimiento de bacterias sulfatorreductoras (BSR). Se montaron dos reactores (R1 y R2) cuya operación entre ambos difirió en la configuración de la alimentación del afluente con el fin de favorecer la precipitación de plomo con el sulfuro producido por las BSR. Así mismo, se calcularon las concentraciones en el equilibrio de diferentes reacciones para determinar las condiciones (concentración de sulfuro, pH), bajo las cuales el plomo precipitó con sulfuro y formó sulfuro de plomo (PbS). Muestras de la biopelícula microbiana fueron analizadas por espectroscopía de rayos x (EDX), con el objetivo de detectar la presencia de Pb en la biopelícula, así mismo se secuenció el gen 16S rRNA de las muestras de biopelícula microbiana para determinar la estructura de la comunidad microbiana. Los resultados muestran que, tanto en el R1 como en el R2, la producción de sulfuro fue suficiente (> 100 mg/L) para poder precipitar el plomo, cuyos valores de remoción alcanzaron valores de hasta 99 %. No obstante, el proceso de precipitación de plomo en el R1, en un inicio se debió a su interacción con compuestos de fósforo, que después, al incrementarse la concentración de sulfuro en el sistema, pudieron estabilizarse como PbS. En cambio, en el R2, con las modificaciones de alimentación del afluente realizadas en el reactor y según los cálculos en el equilibrio, la remoción de Pb fue debido a su precipitación con sulfuro, sin formar otras especies químicas. Para el caso del R2, el análisis de los precipitados atrapados en la biopelícula sugiere ser PbS. Por otra parte, la comunidad microbiana, al final de la operación de ambos reactores, poseyó una muy baja diversidad microbiana, caracterizada por la dominancia de pocos géneros, entre el que destacó el género de BSR Desulfomicrobium, el cual, pudo ser el responsable de la producción de la mayor parte del sulfuro en ambos reactores."

"Water contamination by metals is an environmental problem that has promoted the development of several technologies for water treatment and reutilization. The membrane biofilm reactor (MBfR) is a biotechnological approach with proven capacity to remove pollutants by the activity of a complex microbial communities capable of growing as biofilms; these biofilm communities are capable to transform contaminants to less toxic substances for human beings. The MBfR employs several gaseous substrates as electron donors such as hydrogen (H2). This reactor has mainly been applied to the remediation of underground contaminants; however, the MBfR has great potential for the treatment of several types of industrial waters, metal processing, and mining activities. In this research, two MBfR were applied to treat a synthetic water rich in sulfate (585 mg/L) and lead (50, 100 and 250 mg/L), to allow the establishment of sulfate reducing bacteria (SRB) within the biofilm community. R1 and R2 MBfRs were assembled with different influent’s setup to favor the precipitation of lead with the sulfide produced by SRB. Likewise, a speciation model was developed to illustrate the equilibrium concentration of the compounds in the synthetic water under different conditions (i.e., sulfide concentration and pH) to determine the conditions in which lead reacted with sulfide to favor its precipitation as lead sulfide (PbS). Also, biofilm samples were taken to be analyzed by both Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDX) to detect the presence of lead in the biofilm’s precipitates, and by sequencing the 16S rRNA gene to elucidate the biofilm microbial community structure. The results of R1 and R2 showed that the produced sulfide was enough (> 100 mg/L) to react with lead and precipitate it, achieving a lead removal up to 99 %. Nevertheless, and before entering R1, lead precipitation could be due to interactions with phosphate, but once the concentration of sulfide increased in the system these compounds could stabilize as PbS. In R2, Pb entered the reactor separately, and the equilibrium calculations, pointed out that the removal of lead could be due to its precipitation with sulfide without production of other lead precipitates. For R2, the EDX analysis showed that the chemical composition of the precipitates likely correspond to PbS. Finally, the microbial communities were dominated only by few bacterial genera and showed a very low microbial diversity. Desulfomicrobium was the dominant SRB genus, which could be responsible to produce most of the sulfide in both reactors."