Determinación de parámetros cinéticos y de inhibición por sulfuro en un reactor UASB sulfato-reductor.

Abstract

"Las características principales de los drenajes ácidos de minas (DAM) son la alta concentración de sulfato (hasta 110 mM), metales disueltos, principalmente hierro (hasta 91 mM) y un pH entre 2-3. Para la remediación de los DAM la sulfatorreducción es una alternativa atractiva ya que involucra la producción biológica de sulfuro de hidrógeno, precipitación de los sulfuros metálicos y neutralización del agua con la alcalinidad producida por el metabolismo microbiano. El tratamiento de los DAM por sulfatorreducción requiere el adecuado conocimiento y modelación de datos cinéticos, ya que proporcionan la base para comprender el efecto que tienen los compuestos inhibitorios sobre el proceso. El sulfuro de hidrógeno no disociado (H2S) es la forma de sulfuro más tóxica hacia las BSR debido a que puede penetrar la membrana celular. En el mismo sentido, los metales pesados pueden ser inhibitorios o tóxicos para las bacterias sulfatorreductoras (BSR), ya que afectan su crecimiento y actividad metabólica debido a que reaccionan con grupos sulfhidrilo (-SH) y remplazan cofactores. La inhibición que el sulfuro y los metales provocan sobre los microorganismos es de tipo no competitivo, en la cual el inhibidor reduce la velocidad máxima específica de utilización de sustrato (qmax), pero no altera la constante de afinidad por sustrato (Ks). Debido a que el hierro es el metal más abundante en los DAM, su estudio es de gran importancia, por lo que es necesaria una mejor comprensión de la relación entre el hierro y la sulfatorreducción para emplear efectivamente este proceso en el tratamiento de los DAM. El objetivo de este trabajo fue investigar el efecto inhibitorio del sulfuro y del hierro sobre el proceso sulfatorreductor en consorcios anaerobios, a partir de la determinación de los parámetros cinéticos: qmax, Ks, constante de inhibición por sulfuro (KI) y constante aparente de inhibición por hierro (KI app de Fe+2). Se utilizó un reactor UASB que se operó bajo dos regímenes alternadamente, en lote para la determinación de las cinéticas y en continuo entre cada uno de los lotes. La operación del reactor en lote se llevó acabo en 3 etapas: en la etapa I se determinaron qmax y Ks; en la etapa II se hicieron pruebas de inhibición con sulfuro para determinar la KI y en la etapa III la adición de diferentes concentraciones de hierro permitió determinar la KI app de Fe+2."

"The main characteristics of the acid mine drainages (AMD) are high concentrations of sulfate (up to 110mM), dissolved metals, mainly iron (up to 91mM), and low pH (2-3). The remediation of AMD by sulfate reduction is an attractive alternative treatment because is a bioprocess based on biological hydrogen sulfide production, followed by metal sulfide precipitation and neutralization of the water by the alkalinity produced by the microbial metabolism. The treatment of AMD by sulfate reduction requires knowledge of the kinetic data and its modeling, since they provide the basis for the understanding of the effect that the inhibitory compounds could have over the process. The undissociated hydrogen sulfide (H2S) is generally assumed as the main toxic form of sulfide, because only neutral molecules permeate the cell membrane. In the same way, heavy metals can inhibit or be toxic for the sulfate reducing bacteria (SRB) and can cause a potentially negative impact on the growth and activity, because they may react with sulfhydryl groups (-SH) and replace cofactors. The type of inhibition that sulfide and metals cause over the microorganisms is non competitive; in which the inhibitor reduces the maximum specific rate of substrate utilization (qmax), but does not alter the substrate affinity constant (Ks). The study of iron inhibition becomes important due to its abundance in AMD; thus, it is necessary a better understanding of the relationship between iron and sulfate reduction to effectively employ this process in the treatment of AMD. The objective of this thesis was to investigate the inhibitory effect of sulfide and iron over the sulfate reduction process using anaerobic consortia and to determine the kinetic parameters: qmax, Ks, sulfide inhibition constant (KI) and iron inhibition constant (KI app of Fe+2). An UASB reactor was used for the experiments and was operated under two regimes, in batch for the determination of the kinetic parameters and in continuous between each batch. The batch operation was performed in three stages: in stage I, qmax and Ks were determined; in stage II, assays with sulfide were performed to determine its inhibition constant KI and in stage III, the addition of different concentrations of iron allowed the determination of the apparent inhibition constant caused by iron (KI app of Fe+2)."