Halogenated aliphatic and aromatic aerobic biodegradation via direct metabolism and cometabolism: batch and continuous tests

In this thesis the application of biotechnological processes based on microbial metabolic degradation of halogenated compound has been investigated. Several studies showed that most of these pollutants can be biodegraded by single bacterial strains or mixed microbial population via aerobic direct metabolism or cometabolism using as a growth substrates aromatic or aliphatic hydrocarbons. The enhancement of two specific processes has been here object of study in relation with its own respective scenario described as follow: 1st) the bioremediation via aerobic cometabolism of soil contaminated by a high chlorinated compound using a mixed microbial population and the selection and isolation of consortium specific for the compound. 2nd) the implementation of a treatment technology based on direct metabolism of two pure strains at the exact point source of emission, preventing dilution and contamination of large volumes of waste fluids polluted by several halogenated compound minimizing the environmental impact. In order to verify the effect of these two new biotechnological application to remove halogenated compound and purpose them as a more efficient alternative continuous and batch tests have been set up in the experimental part of this thesis. Results obtained from the continuous tests in the second scenario have been supported by microbial analysis via Fluorescence in situ Hybridisation (FISH) and by a mathematical model of the system. The results showed that both process in its own respective scenario offer an effective solutions for the biological treatment of chlorinate compound pollution

Adsorbents for Water and Wastewater Treatment and Resource Recovery

Adsorption is a well-established operation used for water decontamination and the remediation of industrial effluents. It is also recognized as a key technology for recovering substances of economic interest or those at risk of scarcity. The new sustainability paradigm of the circular economy and the current context of promoting the efficient use of natural resources, water and energy have been motivating the search for eco-friendly adsorbents for water and wastewater treatment and resource recovery. This Special Issue compiles 21 papers (17 research articles and 4 reviews), addressing the removal of heavy metals, toxic metalloids, precious metals and organics from aqueous solution, using a wide variety of adsorbents derived from natural and waste materials

Respirometric techniques applied to aerobic microbial processes

Tese de doutoramento em Chemical and Biological Engineeringerobic microbial processes are extremely important in environmental biotechnology, namely in biological wastewater treatment where activated sludge process represents nowadays the most widespread technology for wastewater purification. The availability of reliable, cheap and versatile real-time monitoring tools providing information on the biological activity is of crucial importance for monitoring and control of bioprocesses, avoiding possible operational troubles through early detection of problems. This thesis aimed to develop and apply respirometric techniques for the estimation of kinetic and stoichiometric parameters in different systems with increasing complexity. The first process – nitrification, was chosen for its simplicity. In this process, substrate consumption is related only with growth and energy, no storage phenomena occur. The ASM1 model was used to fit the respirometric data, and an in situ pulse respirometric method was validated for the determination of kinetic and stoichiometric parameters of the system at steady state: the maximum exogenous oxygen uptake rate was determined respirometrically [61.15 (4.09) mg O2 L-1 h-1] through the injection of increasing substrate concentration pulses; the biomass growth yield was estimated from respirometric data and by the traditional COD (Chemical Oxygen Demand) mass balance method, and both methods gave similar values [0.10 (0.07) and 0.09 (0.04) g X-COD g NOD-1, respectively]; the affinity constant was indirectly estimated after fitting the ascending part of the respirogram to a theoretical model, and an average value of 0.48 (0.08) mg NH4-N L-1 was obtained. Model adjustment was successfully applied to a portion of the respirogram, but not to the complete respirogram. It was concluded that a more complex model, taking into account biological and electrode response time, should give better correlation. Additionally, two methods for the determination of the oxygen volumetric mass transfer coefficient were tested and it was concluded that the dynamic method was the most adequate. The results obtained allowed to establish the basic pulse respirometric methodology, and also the best method for estimating the oxygen mass transfer coefficient. Then a Pseudomonas putida pure culture system was chosen to test the applicability of pulse respirometry on biomass with storage ability ASM3 was used for fitting the obtained data. The model included terms which took into account the biological and electrode response time, thus the entire respirogram could be successfully used for model fitting. The pulse respirometric method was validated for estimation of kinetic and stoichiometric parameters in pure cultures by comparison with the traditional chemostat method. No significance difference was observed between parameters estimated by chemostat and respirometric methods: biomass growth yield was 0.41(0.05) and 0.51 (0.04) g COD-X g COD-S-1; affinity constant was 4.86 (0.70) and 5.13 (1.99) mg COD-S L-1; maximum specific growth rate was 0.20 (0.05) and 0.16 (0.01) h-1, with chemostat and respirometry respectively. Pulse respirometry was then applied to a continuous suspended activated sludge process, fed with a complex synthetic medium. In this stage, a multiple pulses respirometric method was tested and validated by comparison with chemostat method and with ASM1 model fitting: biomass growth yield was in the range of 0.37 – 0.76, and 0.37 – 0.65 g COD-X g COD-S-1; maintenance coefficient was 0.012 (0.012) and 0.010 (0.006) h-1, by COD mass balance and by respirometry, respectively; affinity constant and maximum specific oxygen consumption rate were estimated with the multiple concentration pulses respirometric method to be 15.5 (2.4) mg COD-S L-1 and 0.12 (0.01) h-1, respectively. Considering the assessment and comparison of the experimental and calculation methods, it was concluded that the estimation of kinetic and stoichiometric parameters in mixed aerobic cultures should preferentially be performed by using respirometric techniques, being the most adequate method the multiple concentration pulses injection method, with several advantages such as a simpler experimental data interpretation, and results with better confidence. The developed multiple pulses respirometric method was finally applied to an aerobic granular system. The method proved to be adequate for parameter estimation on this system, and allowed the successful monitoring of aerobic granulation. In a short time and using low cost equipment, the method allowed an exhaustive characterisation of the process in real-time through the determination of six central parameters: (i) biomass growth yield, (ii) specific endogenous respiration rate, (iii) substrate affinity constant, (iv) maximum specific oxygen consumption rate, (v) maximum specific substrate consumption rate, and (vi) maximum specific growth rate. The pulse respirometric method presented the advantage of the determined parameters being those actually prevailing in the system under actual operating conditions, i.e. apparent parameters, which is of major interest for control and process operation. At steady state the biomass growth yield was estimated to be 0.6 g COD-X g COD-S-1, the specific endogenous respiration rate was 0.1 g O2 g COD-X-1 d-1, the affinity constant was approximately 20 mg COD-S L-1, maximum specific oxygen consumption rate and maximum specific substrate consumption rate were 0.06 g O2 g COD-X-1 h-1 and 0.17 g COD-S g CODX- 1 h-1, respectively, and the maximum specific growth rate was roughly 2.5 d-1. The potential of the proposed multiple concentration pulses respirometric method was investigated for monitoring aerobic granular sludge systems, and controlling aeration in an efficient mode. Additionally the multiple concentration pulses respirometric method was applied in two aerobic granular sludge systems operated under different aeration rates (5.0 and 6.6 L min-1), and allowed to assess the influence of shear stress on the biomass kinetic and stoichiometric parameters: the biomass growth yield was higher for the sludge cultivated under higher shear stress [0.6 (0.02) versus 0.5 (0.02) g COD-X g COD-S-1 at lower shear stress]; biomass subjected to the higher shear stress presented a higher substrate affinity constant [16.4 (2.6) and 9.1 (0.2) mg COD-S L-1, at higher and lower shear stress, respectively]; and also a higher maximum specific substrate consumption rate [5.4 (0.9) and 2.5 (0.5) g COD-S g COD-X d-1, at higher and lower shear stress, respectively] at the end of the aerobic granulation process. The global conclusion withdrawn from this thesis is that respirometry, especially pulse respirometry, is a valid and promising technique for kinetic and stoichiometric characterisation of aerobic microbial processes, whether these are pure or mixed cultures, and suspended or aggregated cultures. A respirometric method was developed, the multiple concentration pulses method, which allows an exhaustive characterisation of aerobic microbial processes in a short time period, using low cost material and requiring low computational power.Os processos microbianos aeróbios são extremamente importantes em biotecnologia ambiental, nomeadamente nos sistemas biológicos de tratamento de águas residuais onde o processo de lamas activadas representa actualmente a tecnologia mais generalizada de purificação de água. A disponibilidade de ferramentas de monitorização em tempo real confiáveis, baratas e versáteis, que forneçam informações sobre a actividade biológica, é de importância crucial para a monitorização e controlo de processos biológicos, evitando problemas operacionais através da detecção precoce de problemas. Esta tese teve como objectivo desenvolver e aplicar técnicas respirométricas para a determinação de parâmetros cinéticos e estequiométricos em diferentes sistemas com complexidade crescente. O primeiro processo – nitrificação, foi escolhido pela sua simplicidade. Neste processo, o consumo de substrato está relacionado apenas com o crescimento e produção de energia, nenhum fenómeno de armazenamento de substrato ocorre e um método respirométrico in situ foi validado para a determinação de parâmetros cinéticos e estequiométricos em sistemas em estado estacionário: a taxa máxima específica de consumo de oxigénio foi determinada respirometricamente [61.15 (4.09) mg O2 L-1 h-1] através da injecção de pulsos de concentração de substrato crescente; o rendimento de crescimento da biomassa foi estimado a partir de dados respirométricos e a partir do método tradicional de balanço de massa à CQO (Carência Química de Oxigénio) e ambos os métodos deram resultados similares [0.10 (0.07) e 0.09 (0.04) g X-COD g NOD-1, respectivamente]; a constante de afinidade do substrato foi determinada indirectamente após ajuste de um modelo teórico à porção ascendente do respirograma e um valor médio de 0.48 (0.08) mg NH4-N L-1 foi determinado. O ajuste de um modelo foi bem sucedido com uma porção do respirograma, mas não com o respirograma inteiro. Foi concluído que um modelo mais complexo, que tome em consideração os tempos de resposta do eléctrodo e da biomassa, deverá ajustar melhor ao respirograma. Adicionalmente, dois métodos para a determinação do coeficiente volumétrico de transferência de massa do oxigénio foram testados e concluiu-se que o método mais adequado é o método dinâmico. Os resultados obtidos permitiram estabelecer os princípios básicos da metodologia da respirometria de pulsos e o melhor método para determinação do coeficiente volumétrico de transferência de massa do oxigénio. Seguidamente um sistema de cultura pura de Pseudomonas putida foi seleccionado para testar a aplicabilidade da respirometria de pulso numa biomassa com capacidade de armazenar substrato. O modelo ASM3 foi usado para ajuste aos dados experimentais. O modelo incluiu termos que consideravam os tempos de resposta do eléctrodo e da biomassa, assim o respirograma inteiro pôde ser usado para ajuste do modelo. O método respirométrico de pulsos foi validado para a determinação de parâmetros cinéticos e estequiométricos em culturas puras por comparação com o método tradicional de quimiostato, visto que as diferenças dos parâmetros determinados pelos dois métodos não foram significativas: o rendimento em biomass 0.41 (0.05) e 0.51 (0.04) g COD-X g COD-S-1; a constante de afinidade do substrato 4.86 (0.70) e 5.13 (1.99) mg COD-S L-1; a taxa máxima específica de crescimento 0.20 (0.05) e 0.16 (0.01) h-1, com o método do quimiostato e respirométrico, respectivamente. A respirometria de pulso foi depois aplicada a um processo de lamas activadas suspensas alimentado com meio sintético complexo. Nesta etapa, um método respirométrico de pulsos múltiplos foi testado e validado por comparação com o método do quimiostato e com ajuste do modelo ASM1: o rendimento em biomassa estava na gama 0.37 – 0.76 e 0.37 – 0.65 g COD-X g COD-S-1; o coeficiente de manutenção 0.012 (0.012) e 0.010 (0.006) h-1, por balanço mássico de CQO e por respirometria, respectivamente; a constante de afinidade do substrato e a taxa máxima específica de consumo de oxigénio foram determinadas com o método respirométrico de pulsos múltiplos obtendo-se os valores 15.5 (2.4) mg COD-S L-1 e 0.12 (0.01) h-1, respectivamente. Considerando a acessibilidade e comparação dos métodos experimentais e de cálculo, foi concluído que a determinação de parâmetros cinéticos e estequiométricos em culturas mistas aeróbias deve ser preferencialmente feita usando técnicas respirométricas, sendo o método respirométrico de pulsos múltiplos o mais adequado com várias vantagens tais como uma mais simples interpretação dos dados experimentais e obtenção de resultados mais exactos. O método respirométrico de pulsos múltiplos desenvolvido foi finalmente aplicado a um sistema de grânulos aeróbios. O método mostrou ser adequado para determinação de parâmetros neste tipo de sistema e permitiu a monitorização do processo de granulação aeróbia. Num curto tempo e usando equipamento de baixo custo o método permitiu a caracterização exaustiva do processo em tempo real através da determinação de seis parâmetros centrais: (i) rendimento em biomassa; (ii) taxa específica de respiração endógena; (iii) constante de afinidade do substrato; (iv) taxa máxima específica de consumo de oxigénio; (v) taxa máxima específica de consumo de substrato e (vi) taxa máxima específica de crescimento. O método respirométrico de pulsos múltiplos apresentou ainda a vantagem de fornecer parâmetros relacionados com os que realmente estão a ocorrer no sistema sobre as reais condições operacionais, i.e. os parâmetros aparentes, o que é de maior interesse para controlo e operação. Em estado estacionário o rendimento em biomassa foi estimado como sendo de 0.6 g COD-X g COD-S-1, a taxa específica de respiração endógena 0.1 g O2 g COD-X-1 d-1, a constante de afinidade do substrato aproximadamente 20 mg COD-S L-1, a taxa máxima específica de consumo de oxigénio e a taxa máxima específica de consume de substrato 0.06 g O2 g COD-X-1 h-1 e 0.17 g COD-S g COD-X-1 h-1, respectivamente, e a taxa máxima específica de crescimento 2.5 d-1. O potencial do método respirométrico de pulsos múltiplos proposto foi investigado para monitorização de sistemas de grânulos aeróbios e para o controlo eficiente da taxa de arejamento. Adicionalmente, o método respirométrico de pulsos múltiplos foi aplicado a dois sistemas de grânulos aeróbios operados a diferentes taxas de arejamento (5.0 e 6.6 L min-1), permitindo verificar a influência da tensão de corte nos parâmetros cinéticos e estequiométricos: o rendimento em biomassa foi maior na biomassa cultivada na tensão de corte mais alta [0.6 (0.02) versus 0.5 (0.02) g COD-X g COD-S-1 a tensão de corte mais baixa]; a biomassa sujeita a uma tensão de corte mais elevada apresentou uma constante de afinidade do substrato mais alta [16.4 (2.6) e 9.1 (0.2) mg COD-S L-1, a tensão de corte mais alta e mais baixa, respectivamente] e também uma taxa máxima específica de consumo de substrato mais alta [5.4 (0.9) e 2.5 (0.5) g COD-S g COD-X d-1, a tensão de corte mais alta e mais baixa, respectivamente] no fim do processo de granulação aeróbia. A conclusão global retirada desta tese é que a respirometria, especialmente a respirometria de pulsos, é uma técnica válida e promissora para a caracterização cinética e estequiométrica de processos aeróbios, quer sejam culturas puras ou mistas, culturas suspensas ou agregadas. Um método respirométrico foi desenvolvido, o método respirométrico de pulsos múltiplos, que permite a caracterização exaustiva de processos microbianos aeróbios num curto tempo, usando equipamento de baixo custo e requerendo baixo poder computacional

Efluenteak deskontaminatzeko oxidazio-teknologia aurreratuen areagotzea

403 p.Ura bizitzarako baliabide sozioekonomiko urria eta ezinbestekoa da. Baliabide preziatu honek gero eta eskaera handiagoa du, eta, aldi berean, mundu mailako arazo bihurtu dira haren eskasia eta poluzioa. Hori dela eta, ezinbestekoa da ur-baliabideak era estrategiko eta jasangarrian kudeatzea eta tratatzea. Hondakin-uretan dauden poluitzaileen aniztasuna handia denez, industriako hondakin-uren poluzio-kasu adierazgarrienak, bereziki 4-klorofenola, fenola, anilina eta bentzotiazola, eta etxeetako hondakin-ureei arreta berezia jarriz kezka sortzen duten kutsatzaileei, hala nola farmazia-produktuak, norberaren zaintzarako produktuak eta disruptore endokrinoak, besteak beste aztertu dira lan honetan, oxidazio-teknologia aurreratu esanguratsuenak eta egokienak izan daitezkeenak erabiliz, UV/H2O2, fotokatalisi heterogeneoa, ozonizazio katalitikoa eta ultrasoinuak, aurkezten dira lan honetan. Horretarako, prozesu fotokimikoen ezagutzan eta ozonoan oinarritutako prozesu ez-fotokimikoen ezagutzan sakondu da, eta tratamendu-teknologia eraginkorrenak garatzeko abantailatsuenak diren kondizioak eta konfigurazioak aztertu dira, haien ereduak lortzeko. Horrez gain, ekipamendu eta material katalitiko berriak diseinatu dira, prozesu fotokatalitikoetan eta ozonoan oinarritutako teknologietan erabiltzeko, oxidazio-prozesu aurreratuen intentsitatea indartzeko asmoz, eta industriako eta etxeetako hondakin-ur adierazgarrietan aplikatzeko