Estudio del comportamiento de biopelículas aerobias en membranas permeables Público Deposited
The main objectives of this work were 1) to find a better process to improve the aerobic waste water treatment using a membrane attached biofilm reactor; 2) the developing of mathematical models to describe mass transport and reaction in the biofilm reactor. To achieve those objectives some experimental work was performed to find an adequate membrane for the biofilm growth, to test the substrate and oxygen consumption and the effect of varying the volumetric flow rate, and finally to prove different modes of oxygen supply. The structure of the biofilm using optical and electronic microscopes was also investigated. Two mathematical models were developed: the first model describes a homogeneous two-phase biofilm composed by a solid phase (mass transfer by diffusion) in contact with an external liquid phase (mass transfer by convection). The second model considers a system formed by a heterogeneous porous medium built by a time-evolving structure of extracellular polymers clusters containing the cells (mass transfer by diffusion) surrounded by a series of interconnected pores and channels filled with liquid (mass transfer by diffusion and convection), and an external liquid phase (mass transfer by convection). The work compares the prediction with both two models, of the concentration of substrates (sodium acetate and dissolved oxygen), and the evolution of the reaction profiles inside the solid phase during the transient operation of the membrane attached bioreactor, based on experiments using different modes of oxygen supply and different flow rates. The comparison between the theoretical and the experimental results was aimed to know when oxygen is provided from the two sides of the biofilm, this is more efficient than when oxygen is provided only by one side. It is concluded that the reason for this is that the active area inside the biofilm is larger in the former case, achieving a faster substrate elimination. When the recirculation flow rate increases the substrate consumption also increases due to the high mass transfer coefficient in the biofilm-liquid interphase. This work presents the comparison between the homogenous model and a novel heterogeneous model developed here. The main difference in the prediction between both models is that for the case of the homogeneous model the predictions showed a small active area of cell activity whereas with the heterogeneous model the prediction shows a that all the biofilms is active.
El objetivo de este estudio fue encontrar la mejor forma de llevar a cabo un proceso aerobio de tratamiento de aguas residuales por medio de la utilización de una biopelícula de lodos activados adherida a una membrana permeable al oxígeno. Con este propósito se llevaron a cabo diversos experimentos, algunos de ellos para encontrar un soporte adecuado para la adherencia de una biopelícula aerobia, otros para estudiar el consumo de un sustrato modelo y el suministro de oxígeno disuelto en el líquido a través del tiempo; algunos otros para entender mejor el comportamiento de la biopelícula. Así mismo, se desarrollaron dos modelos matemáticos capaces de describir los fenómenos de transferencia de masa y biorreacción del sistema experimental, lo que permite estudiar, de manera más detallada, lo que sucede al interior de la biopelícula, y la forma en que las diversas condiciones de operación afectan el comportamiento de la misma. Uno de los modelos toma en cuenta la estructura heterogénea de la biopelícula y el otro no. También se llevó a cabo el estudio de la estructura de la biopelícula utilizando las técnicas de microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido. En esta tesis se presentan algunas de las fotografías obtenidas y algunas mediciones del tamaño de las fibras de polisacáridos y de algunos agregados celulares. Durante el desarrollo de esta investigación se encontró que utilizar una biopelícula de lodos activados adherida a una membrana permeable es más eficiente que llevar a cabo el proceso con células suspendidas. Se logró saber la forma más eficiente de proporcionar oxígeno a la biopelícula, así como la más económica de entre los cinco casos estudiados. Se observó que al aumentar la velocidad de recirculación dentro del reactor aumenta el coeficiente de transferencia de masa y por lo tanto el consumo de sustrato. Utilizando los modelos desarrollados, se encontró que las áreas activas al interior de una biopelícula dependen de la forma de alimentación de oxígeno y de la velocidad de recirculación en el reactor. Se estimaron los parámetros más importantes en el proceso y se encontró un espesor de biopelícula óptimo para el sistema. Con los modelos desarrollados se presenta una comparación entre las áreas activas de una biopelícula homogénea y otra heterogénea, en donde se considera la transferencia de masa entre las partes que conforman a la biopelícula.
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