Bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)-contaminated soil process evaluation through composting and anaerobic digestion approach
- Autores: Tahseen A. S. Sayara
- Directores de la Tesis: Antoni Sánchez Ferrer (dir. tes.), Montserrat Sarrà i Adroguer (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2010
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: María del Carmen Vargas García (presid.), Adriana Artola Casacuberta (secret.), Alessandro D'Annibale (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DDD
- Resumen
Entre las diferentes tecnologías de remediación disponibles, es bien conocido que los métodos de biorremediación dependen principalmente de los microorganismos para degradar, transformar, detoxificar o descomponer los contaminantes, los que se reconocen como métodos rentables y respetuosos con el medio ambiente. De hecho, los microorganismos del (motor del proceso de biorremediación) desarrollan su actividad en condiciones aeróbicas o anaeróbicas, que sin duda se usan para la reducción ambiental de los contaminantes. Sin embargo, para lograr resultados satisfactorios durante cualquier proceso de biorremediación, es considerado como un elemento esencial proporcionar las condiciones óptimas para los microorganismos. El compostaje es una de las tecnologías aplicada y usada para la remediación de suelos contaminados con contaminantes orgánicos como; hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), aunque todavía se necesita más investigación para aclarar el comportamiento de este proceso en la remediación de suelos contaminados con PAHs. Sin embargo, hasta hace poco se creía que en condiciones anaeróbicas los PAHs eran imposibles de ser degradados en estas condiciones. Por lo tanto, el presente estudio trató dos modos de biorremediación de suelos contaminados con PAHs mediante compostaje y mediante tratamiento en condiciones anaerobias, se utilizo el mismo suelo bajo estrictas condiciones metanogénicas. El objetivo del estudio era determinar los efectos de varios factores controlables que determinaran el comportamiento y la degradación de los procesos de PAHs y sus consecuencias.
El primer paso para seguir el proceso, en relación con la tecnología de compostaje, fue el estudio de varios co-sustratos orgánicos para seleccionar el más eficiente y capaz de mejorar la degradación de contaminantes (conocido como bioestimulación). Los co-sustratos seleccionados fueron: la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORM), el compost industrial de compostaje de FORM (COFMSW), el compost derivado de compostaje doméstico (HCOFMSW), lodos digeridos anaeróbicamente (ADS), lodos activados no digeridos (NDS) y lodos activados no digeridos y centrifugados (CNDS). Considerando que el pireno (1g/kg materia seca) fue utilizado como representante de los PAH durante esta serie de experimentos. Los resultados obtenidos indican que el compost derivado de la FORM fue capaz de obtener la mayor tasa de degradación de los contaminantes (69%) en comparación a otros co-sustratos utilizados. Además, en este estudio se detectó un factor importante; el grado de estabilidad del compost que no se había investigado antes, pues la tasa de degradación varía en función del grado de estabilidad. En este contexto y a raíz de los resultados obtenidos mediante la experimentación, el compost que se obtuvo a partir de la FORM se utilizó como único co-sustrato orgánico en los tratamientos posteriores de compostaje y biorremediación. El estudio se llevó a cabo con la aplicación de la técnica del diseño experimental a través del diseño de composición central (CCD). Como metodología de esta técnica está la posibilidad de la visión general del efecto de diversos factores y su interacción. Los resultados obtenidos se ajustaron a un modelo polinomial de segundo orden.
En primer lugar, para determinar la respuesta del proceso en diferentes condiciones, en la biorremediación de suelos contaminados con pireno se estudio con tres factores diferentes; la concentración de pireno (0.1-2 g/kg, materia seca), el porcentaje de suelo en la mezcla de compost (1:0.5-1:2 w/w) y la estabilidad como índice respirométrico (0.78, 2.69 and 4.52 mg O2 g-1 Organic Matter h-1). Los resultados indicaron que el compost es más estable, y es capaz de aumentar la tasa de degradación en un plazo corto de tiempo, pero la prolongación del proceso de tratamiento fue capaz de estabilizar el compost, por lo tanto, se podrían lograr resultados favorables. Sin embargo, el aumento de la cantidad de suelo en el compost (>1:1) no tiene ningún efecto significativo sobre la remoción de contaminantes, y en cantidades más altas podría influir inversamente en el proceso. De hecho, este resultado se considera un punto clave en el diseño del proceso, debido a la viabilidad económica de la tecnología de compostaje basada en la cantidad de compost añadido al suelo contaminado. Además, la tasa de degradación es proporcional a la concentración de pireno, así que altas concentraciones aumentan la tasa de degradación. Sin embargo, concentraciones superiores a 1.3 g/kg comenzaron a mostrar un aumento en la toxicidad sobre la actividad microbiana y en concentraciones muy bajas (0.1g/kg) se detectan muy bajas velocidades de degradación, hecho que indica que la concentración del contaminante juega un papel importante en todo el proceso de degradación. Por lo general en los lugares contaminados se encuentran varios derivados en forma de creosota, mientras que los PAH representan una parte importante de estos contaminantes. Una mezcla de hidrocarburos aromáticos policíclicos (Flourene, Phenanthrene, Anthracene, Flouranthene, Pyrene and Benzo(a)anthracene) se utilizan para simular una muestra real de la creosota utilizada como contaminante durante el proceso de compostaje del suelo-bioremediación. Al mismo tiempo, habían sido evaluadas las concentraciónes de hidrocarburos aromáticos policíclicos (0.1-2 g/kg, materia seca) y la estabilidad del compost (0.37 - 4.55 mg O2 g-1 Organic Matter h-1). Los resultados confirmaron la especial importancia del grado de estabilidad del compost durante el proceso de biorremediación, más concretamente durante la primera etapa del proceso. El compost estable mejora los niveles de degradación en la mezcla suelo-compost y la tasa de degradación alcanzó un 92% después de 10 días, pero solo el 40% se degradó con el compuesto menos estable. Curiosamente los compuestos húmicos aumentan con el grado de estabilidad, el compuesto más estable fue aquel con más compuestos húmicos. En consecuencia, se asumió que la materia húmica facilita la deserción de los PAH haciéndoles más disponibles para la degradación de la actividad microbiana y, por tanto aumentando su velocidad de degradación. La concentración de PAH también fue importante durante el proceso, ya que la tasa de degradación se incrementó con el aumento de la concentración de los PAH. Por otra parte, todos los PAH participantes demostraron una considerable disminución en su concentración después del periodo de tratamiento, pero el pireno fue degradado a niveles más bajos en algunos tratamientos en comparación con otros PAH, este hecho pone de manifiesto la influencia de las propiedades y el comportamiento de contaminantes microbianos durante este proceso.
Los resultados anteriores fueron obtenidos a través de todos los bioestimulos de los microorganismos dentro de la mezcla de tratamiento mediante la introducción de co-sustratos orgánicos. Además, en un estudio comparativo para la investigación del impacto de la bioaumentación mediante la introducción de microorganismos exógenos y compararla con bioestimulación, los hongos de podredumbre blancos (Trametes versicolor ATCC 42530) fueron utilizados para tratar el suelo contaminado con porcentajes de PAH similares a la muestra real de creosota. El proceso se evaluó a partir del análisis del índice respirométrico dinámico (DRI), la respiración acumulada durante 5 días (AT5), la actividad enzimática y la biomasa fúngica. Se demostró que el hongo ligninolítico Trametes versicolor no aumentaba la degradación de los PAH. Por el contrario, el uso de compost de FORM en la bioestimulación fue capaz de aumentar la tasa de degradación, un 89% en un periodo de 30 días, en comparación con el 29.5% que se logró para el suelo sin ningún tipo de co-sustrato. Además, los resultados obtenidos mostraron que el compuesto estable de FORM tiene un gran potencial para mejorar la degradación de los PAH en comparación con los co-sustratos no estables tales como substrato ligninocelulósico (comida de conejo).
En la segunda parte del estudio, el tratamiento anaerobio de los PAH del suelo contaminado se ha investigado bajo estrictas condiciones metanogénicas similares a los tratamientos de compostaje, el efecto de la concentración de hidrocarburos aromáticos policíclicos y la estabilidad del compost como co-sustrato orgánico también fueron sistemáticamente evaluados bajo condiciones mesofílicas (37ºC). La degradación de los PAH osciló ente 31%-90% valores que se alcanzaron después de 50 días de incubación, lo que demuestran la efectividad del tratamiento biológico. Sin embargo, el proceso de degradación de los PAH y la producción de biogas, se encuentran influenciados por los dos factores. Por ejemplo, la tasa de degradación de los PAH tiene una relación positiva con el aumento de la concentración y el grado de estabilidad del compost. Curiosamente, en algunos casos si no se adiciona compost se mejora en gran medida la degradación de los PAH, hecho que indica que los PAH podrían ser degradados directamente por el inoculo. Este último estudio se realizó sin la utilización de co-sustratos o nutrientes, excepto la tierra contaminada y el inóculo, los resultados dependieron de la concentración de hidrocarburos aromáticos policíclicos, de la temperatura y de la relación proporción suelo/inóculo. En ambas temperaturas de operación, y a pesar de la inhibición del biogás, se lograron ciertas tasas de degradación durante los primeros 30 días de incubación, y se ha encontrado que esta es directamente proporcional a la concentración de PAH. Sin embargo, con la prolongación del experimento hasta 50 días y por razones poco claras, los resultados obtenidos muestran un incremento de la concentración de PAH, este hecho indica la bioformación de PAH en condiciones deficientes de oxígeno. Por lo tanto, en los próximos estudios se debería aclarar las razones de este comportamiento.
Cabe destacar que parte de los resultados presentados en esta tesis se han obtenido en colaboración con el grupo de investigación del Laboratorio de Biotecnología Ambiental en la Academia de Ciencias de la República Checa. Además, los resultados presentados en la actual tesis representan el comienzo de una nueva línea de investigación para los grupos de investigación; Compostaje de Residuos Sólidos Orgánicos (2009 SGR 95) y Biodegradación de Contaminantes Industriales y Valorización de Residuos (2009 SGR 656) de la Universidad Autònoma de Barcelona.
