Simulación matemática del efecto de la depredación por protozoos en el desempeño de reactores de membrana basados en biopelículas (MABRs).

Abstract

El agua hoy en día es un recurso fundamental debido a su uso transversal en las actividades humanas, es por esto por lo que se debe procurar su descontaminación. Dentro de un proceso de tratamiento de aguas residuales, la etapa de remoción de contaminantes disueltos se logra generalmente a través del tratamiento biológico el cual utiliza bacterias que consumen algunos de los contaminantes disueltos en agua para sus procesos metabólicos. Existen diversos tipos de biorreactores que cumplen esta función. Este trabajo se concentró en el biorreactor aireado por membrana (MABR), debido a sus ventajas frente a las tecnologías tradicionales, tales como sus altos rendimientos en utilización de gases, alta densidad de bacterias, y reducción de desechos sólidos. Los MABR han sido estudiados principalmente en la optimización de condiciones operacionales y las limitaciones en transferencia de masa, pero pocos estudios han ahondado sobre las implicancias de los microorganismos dentro del reactor. Es por esto, que, en este estudio, se presenta un modelo matemático de un MABR programado en el Software AQUASIM 2.1, en donde por primera vez se incluyen bacterias autotróficas, bacterias heterotróficas y la acción de depredadores (protozoos). Se cree que los protozoos que habitan en las biopelículas causan un efecto significativo en el rendimiento de remoción de contaminantes. Biopelículas multiespecie y monoespecie fueron analizadas bajo diferentes condiciones operacionales, las cuales fueron evaluadas con el objetivo de analizar las interacciones entre los microrganismos y el efecto en la remoción de contaminantes tales como la COD y amonio. Además, el modelo fue sometido a un proceso de validación en base a los resultados experimentales de investigaciones anteriores de grupos de investigación externos. Los resultados indican que el modelo evalúa satisfactoriamente los rendimientos de remoción de contaminantes al compararse con los resultados experimentales. Además, se observó que los depredadores tanto en las biopelículas monoespecie como multiespecie, frente a limitaciones de amonio y disponibilidad de oxígeno, generan vacíos importantes en la zona de adherencia de la biopelícula, que pueden extenderse hasta valores del 80% del espesor de la biopelícula, lo cual puede causar el desprendimiento de la biomasa y perjudicar así la remoción de contaminantes. Adicionalmente, en biopelículas multiespecie, se observó que en ciertos casos con condiciones en donde existían zonas anóxicas, aeróbicas y disponibilidad de amonio, las bacterias autotróficas predominaban en la base de la biopelícula, siendo fuertemente perjudicadas por los depredadores, producto de compartir la zona aeróbica, mientras que las bacterias heterotróficas quedarían resguardadas en la zona anóxica.

Water today is a fundamental resource due to its transversal use in human activities. For water to be safe from a sanitary point of view, it must be decontaminated. Within a wastewater treatment process, the dissolved contaminant removal stage is generally achieved through biological treatment which uses bacteria that consume some of the dissolved contaminants in water for their metabolic processes. There are various types of bioreactors that fulfill this function. This work focused on the membrane aerated biofilm reactor (MABR), due to its advantages over traditional technologies, such as its high gas consumption yields, high density of bacteria and reduction of solid waste. The MABR has been studied mainly in the optimization of operational conditions and mass transfer limitations, but few studies have explored the implications of microorganisms inside the reactor, which is why, in this study, a mathematical model of a MABR programmed in the AQUASIM 2.1 software, where autotrophic bacteria, heterotrophic bacteria and the action of predators (protozoa) are included for the first time. Biofilm-dwelling protozoa are believed to have a significant effect on contaminant removal performance. Multispecies and monospecies biofilms were analyzed under different operational conditions, to analyze the interactions between microorganisms and the effect on the removal of contaminants such as COD and Ammonium. In addition, the model was subjected to a process of validation based on experimental results of previous investigations of external research groups. The results indicate that the model satisfactorily evaluates the contaminant removal performance when compared with the experimental results. In addition, it was observed that predators in both monospecies and multispecies biofilms, faced with ammonium limitations and oxygen availability, generate significant voids in the biofilm adhesion zone, which can extend up to 80% of the biofilm thickness, which can cause the detachment of the biomass and thus impair the removal of contaminants. Additionally, in multispecies biofilms, it was observed that in certain cases with conditions where there were anoxic, aerobic zones and ammonium availability, autotrophic bacteria predominated at the base of the biofilm, being strongly harmed by predators because of sharing the zone.