Evaluación del potencial de reducción de emisiones de óxido nitroso de un biorreactor aerobio lleno de fibras de carbono para el tratamiento de aguas residuales porcinas

Evaluación del potencial de reducción de emisiones de óxido nitroso de un biorreactor aerobio lleno de fibras de carbono para el tratamiento de aguas residuales porcinas

Resumen:

El óxido nitroso (N2O) es un potente gas de efecto invernadero que se emite en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Para reducir las emisiones de N2O de las plantas de tratamiento de aguas residuales porcinas, construimos un biorreactor aerobio experimental lleno de fibras de carbono. Como alternativa al tratamiento convencional de lodos activos. El factor de emisión de N2O del biorreactor aerobio cargado con fibras de carbono (CF) fue de 0,002 g N2O-N/g TN-load y el valor para el reactor típico de residuos activados (AS) fue de 0,013 g N2O-N/g TN-load. El método de tratamiento CF (fibras de carbono) logró una reducción de más del 80% de las emisiones de N2O, en comparación con el método de tratamiento AS (lodos activos). La introducción experimental de un portador de CF en una planta de tratamiento de aguas residuales también dio lugar a una gran reducción de la generación de N2O. Específicamente, los factores de emisión de N2O disminuyeron de 0,040 a 0,005 g N2O-N/g TN-load tras la aplicación de la portadora FC. Esto demuestra que es posible reducir la generación de N2O en más de un 80% utilizando un portador de FC durante la operación de una planta de tratamiento de aguas residuales real. Algunas bacterias del filo Chloroflexi, que son capaces de reducir las emisiones de N2O, fueron detectadas a una frecuencia más alta en el biofilm del portador de FC que en el biofilm formado en el reactor AS.

1.- Introducción

Los gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4) y el óxido nitroso (N2O), son emitidos por las plantas de tratamiento de aguas residuales. Estos gases aumentan el calentamiento de la superficie de la Tierra. En particular, el N2O es un potente gas de efecto invernadero que representa el 7,9% de las emisiones antropogénicas mundiales de gases de efecto invernadero; tiene un efecto aproximadamente 300 veces mayor que el CO2 en un período de 100 años. El N2O se produce durante las conversiones biológicas de nitrógeno en las plantas de tratamiento de aguas residuales. La mayor parte del nitrógeno soluble en las aguas residuales existe en forma de iones de amonio (NH4+). El NH4+ se oxida a iones nitrito (NO2-) y iones nitrato (NO3-) en condiciones aeróbicas y estos se reducen a gas N2 en condiciones anóxicas (ausencia de oxígeno) por microorganismos. Durante la desnitrification, a diferencia de la nitrificación, N2O es un intermediario regular. Si la desnitrificación ocurre completamente, el N2O se convierte en gas N2 y la liberación de gas N2 a la atmósfera elimina el nitrógeno del tanque de reacción. El gas N2 no es un gas de efecto invernadero (GHG); por lo tanto, es importante convertir estos iones en gas N2. Nitrificacion y desnitrificación avanzan sin contratiempos en el medio ambiente cuando las condiciones favorecen el crecimiento de microbios. Sin embargo, las emisiones de N2O a menudo aumentan cuando la nitrificación y desnitrificación son inhibidas por la temperatura del agua, las concentraciones de oxígeno disuelto (DO) o las concentraciones de materia orgánica. En el proceso convencional de tratamiento de aguas residuales, nitrificación y desnitrificación proceden simultáneamente en un solo tanque, por lo que no está claro qué reacción es la causa principal de las emisiones de N2O. En la práctica, se sabe que las emisiones de N2O aumentan sin cesar para acumular nitrito (NO2-) o nitrato (NO3-) tanto en la etapa de nitrificación como en la de desnitrificación. En el presente estudio, el gas N2O procedente del tratamiento de aguas residuales mediante el proceso de lodos activados se controló durante un año. Kosonen et al. reportaron emisiones anuales de N2O de 168 g/PE/año y 0.019 g de carga de N2O-N/g N de una planta de tratamiento de aguas residuales subterráneas totalmente cubierta. Daelman et al. reportaron emisiones de N2O de 0.028 g Carga de N2O-N/g N de una planta de tratamiento de aguas residuales municipal a gran escala. El factor de emisión de N2O para el tratamiento de las aguas residuales de los cerdos es de 0,0287 g de carga de N2O-N/g N según el Informe del Inventario Nacional de GEI de Japón de 2015 (NIES 2015). El factor de emisión de N2O del proceso de lodos activados tiene un valor similar independientemente de la categoría de la industria. Entre los informes actuales que describen la tecnología para reducir el N2O en la página field de tratamiento de aguas residuales, Sun et al. reportaron que el proceso de la zanja de oxidación es un método más efectivo para la reducción del N2O del tratamiento de aguas residuales que el proceso anóxico-óxico y el reactor de secuenciación por lotes. El factor de emisión del proceso de la zanja de oxidación fue de 0,0025 N2O-N/g N de carga. Su informe indica que para fomentar desnitrificación, es necesario controlar la concentración de DO a un nivel adecuado y aumentar el índice de utilización de materia orgánica.  Massara et al. reportaron que existen varias estrategias de mitigación de N2O. En estas estrategias, los operadores seleccionan las condiciones operativas óptimas, como la tasa de aireación y el oxígeno. El tratamiento de aguas residuales funciona con una combinación óptima de pH 7 y temperatura del agua de 20 ◦C. Esto utiliza modelos para predecir los puntos calientes de N2O. Santín también informó que es importante controlar la DO para la reducción de rN2O. Zhang et al. informó que la emisión de N2O de las aguas residuales ricas en nitrógeno sintético podría reducirse en cuatro décimas utilizando manitol como fuente de carbono. Mientras tanto, en la página web field sobre el tratamiento de aguas residuales ganaderas, en particular, sólo se dispone de unos pocos informes de este tipo. En consecuencia, utilizamos biofilms para desarrollar métodos de tratamiento capaces de reducir las emisiones de N2O. Esperábamos que las reacciones redox en el método biofilm fueran diferentes a las del método de lodos activados (AS). El método biofilm propuesto en este estudio implica el uso de portadores donde los microbios pueden adherirse y, en consecuencia, mejorar el tratamiento de las aguas residuales. fibras de carbono (CFs) se emplearon como portadores aquí porque los microbios se adhieren groseramente a las CFs y permanecen en ellas durante más tiempo y a concentraciones de biomasa más altas de lo que es posible en el método AS. Los biofilms cultivados en las FCs se vuelven gruesos y pueden contener tanto microorganismos aeróbicos como anaeróbicos. Las FCs se expanden por sí solas cuando se empapan en agua. Biofilms forman parte de estas FCs expandidas y ayudan en el tratamiento de aguas residuales usando el método AS. En una prueba previa a escala de laboratorio, en la que investigamos un tanque de aireación fixed con un portador de FQ durante el tratamiento AS de aguas residuales porcinas de la empresa, redujimos con éxito las emisiones de N2O en más de un 60-90% en comparación con las generadas por un sistema que no es fixed con el portador. El rendimiento del tratamiento de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) en esta prueba fue, como mínimo, similar al de un dispositivo que no se encuentra en el portador y la acumulación de iones de NO3 y NO2 en el agua tratada fue notablemente baja. De esta manera, el sistema propuesto pudo reducir sustancialmente las emisiones de N2O y mejorar el rendimiento del tratamiento de las aguas residuales. En este estudio, con el objetivo de permitir el uso práctico de la tecnología, con el fin de determinar la reproducibilidad de la reducción de emisiones de N2O de una planta de tratamiento de aguas residuales porcinas a gran escala, investigamos el rendimiento de un biorreactor aeróbico repleto de CFs (biorreactor de ca. 1 m3), como una alternativa al tratamiento AS convencional bajo condiciones que implicaban temperaturas del agua. Además, realizamos un experimento que nos permitió comprobar que la inserción de un portador de FQ en una planta de tratamiento de aguas residuales puede reducir la generación de N2O durante seis meses de funcionamiento.

...