The development and optimization of chemical and biological processes for the treatment of sulphate rich and heavy metal bearing wastewater from acid mine drainage (AMD) by sulphate reducing bacteria (SRB)

Anucha, Chukwuka Bethel

Publication

The development and optimization of chemical and biological processes for the treatment of sulphate rich and heavy metal bearing wastewater from acid mine drainage (AMD) by sulphate reducing bacteria (SRB)

2016-09-26Master thesis

datacite.subject.fos	Engenharia e Tecnologia::Engenharia Química	pt_PT
dc.contributor.advisor	Costa, Maria Clara
dc.contributor.advisor	Carlier, Jorge Dias
dc.contributor.author	Anucha, Chukwuka Bethel
dc.date.accessioned	2017-05-30T15:41:19Z
dc.date.available	2017-05-30T15:41:19Z
dc.date.issued	2016-09-26
dc.date.submitted	2016
dc.description	Dissertação de mestrado, Inovação Química e Regulamentação, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2016
dc.description.abstract	O tratamento biológico de água de drenagem ácida de mina (“Acid Mine Drainage” - AMD) contaminada com sulfato e metais pesados utilizando bactérias sulfato-redutoras (“Sulphate Reducing Bacteria” – SRB) continua a ser foco de grande atenção. O posicionamento desta estratégia como alternativa viável deve-se às suas vantagens do ponto de vista económico e de sustentabilidade ambiental, comparativamente aos métodos químicos clássicos. Eficiente remoção de sulfato, baixa produção de lamas e maior estabilidade dos precipitados de sulfuretos metálicos obtidos em comparação com precipitados de hidróxidos metálicos nos métodos clássicos numa faixa de pH mais ampla tornam o método de tratamento biológico competitivo. Esta abordagem utiliza sulfureto de hidrogénio, gerado biologicamente a parir do sulfato da AMD pelas SRB no processo de aceitação de eletrões durante a oxidação de compostos de carbono, o qual se liga aos metais pesados da AMD precipitando como sulfuretos metálicos. A falta de fontes de carbono/dadores de eletrões na AMD torna necessária adição de compostos orgânicos para uma eficiente redução de sulfato a sulfureto no processo de biorremediação desta água. Esta importância da adição de fontes de carbono/dadores de eletrões nos processos de biorremediação com SRB tem recebido a atenção de muitos investigadores, tendo já sido testados para esse fim vários compostos orgânicos. A maior parte dos produtos investigados foram subprodutos de alimentos agrícolas processados, bem como resíduos orgânicos. No entanto, fontes de carbono bem conhecidas, a maioria das quais compostos orgânicos puros como lactato, etanol, metanol e ácidos gordos voláteis, continuam a ser usados porque produzem melhores resultados em termos de eficiência de redução de sulfato. A limitação de utilizar estas fontes de carbono sintéticas é o seu custo. Na bancada de laboratório são viáveis, mas a sua utilização à escala industrial continua a enfrentar desafios de custo, tornando-se quase impossível de implementar. Além de considerações de custo, há outros fatores críticos na escolha adequada de fonte de fontes de carbono/dadores de eletrões para SRB como disponibilidade, degradabilidade, eficiência em termos de redução de sulfato com pouco ou nenhum poluente associado no efluente de descarga, bem como considerações cinéticas e termodinâmicas para favorecer as SRB na inerente competição com outras bactérias, principalmente as metalogénicas. Tendo em conta todos estes fatores, neste trabalho foram testados como fontes de carbono/dadores de eletrões alternativas para as SRB dois sub-produtos industriais conhecidos por serem ricos em açúcares: um melaço de laranja produzido por evaporação de um licor extraído de cascas de laranja pela uma indústria de processamento de sumo laranja e um melaço de beterraba produzido pela indústria de processamento de açúcar a partir de beterraba. Estes dois melaços foram obtidos, respetivamente, numa fábrica de sumo de laranja no sul de Portugal e numa fábrica de açúcar no sul de Espanha. Tendo em consideração a importância do rácio CQO/[SO42-] no uso de fontes de carbono em processos de biorremediação com SRB e tendo em conta o elevado conteúdo de CQO destes melaços, tinham sido previamente testadas no Laboratório de Tecnologias Ambientais (LTA ) do Centro de Ciências do Mar (CCMAR) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade do Algarve, várias diluições dos mesmos em meio Postgate B sem lactato em reatores em descontínuo tentando-se obter rácios próximos de 1.5, o valor teórico estimado de CQO/[SO42-] do meio Postgate B original (com lactato). As diluições 1:200, entre várias outras testadas, deram melhores resultados na redução de sulfato com ambos os melaços testados. Com base nestes estudos anteriores estabeleceu-se que neste trabalho experimental para avaliar a viabilidade do uso melaço de laranja e melaço de beterraba como fontes de carbono/dadores de eletrões no tratamento de AMD fossem utilizadas diluições 1:200. A utilização de diluições de 1:200 de ambos os melaços em AMD com SRB em reatores em descontínuo, resultou numa eficiente redução de sulfato e simultânea remoção de metais pesados em apenas cerca de 14 dias, chegando-se a concentrações em conformidade com as normas legislativas nacionais para as águas de rega em Portugal (Decreto-Lei nº: 236/98, anexo XVI, 1998). Com estes resultados, a experiencias estenderam-se para sistemas em contínuo com 1 mL/h de fluxo usando dois biorreatores de fluxo ascendente anaeróbios de leito fixo (“upflow anaerobic packed bed” - UAPB), um com melaço de laranja e outro com melaço de beterraba, ambos começando com a mesma diluição (1: 200) de melaço em AMD. Depois de otimizar as condições, aumentando o fornecimento de melaço para uma diluição de 1: 133 em AMD, conseguiu-se uma redução de sulfato eficiente e remoção de metais pesados para concentrações abaixo do limite regulamentado para águas de rega em Portugal (Decreto-Lei n.º: 236/98, anexo XVI, 1998), com um tempo de retenção aproximado de cerca de 13 dias em ambos os biorreatores. Devido à complexidade dos melaços utilizados, analisou-se durante os ensaios de biorremediação a presença de açúcares e ácidos orgânicos. As SRB tiraram proveito em sintrofia de outros membros do consórcio de bactérias que degradaram os compostos de carbono dos melaços em formas mais simples viáveis para a redução biológica de sulfato. Nos reatores em descontínuo e em contínuo alguns açúcares e ácidos orgânicos apareceram, estabilizaram e desapareceram dos meios testados revelando tendências que sugerem estar associados ao crescimento e atividade de SRB. Substratos orgânicos complexos, como o melaço, não são completamente degradados em processos com SRB, como tal geram efluentes com níveis relativamente altos de CQO. Os valores de CQO dos efluentes dos biorreatores de SRB alimentados com melaço de laranja e de beterraba foram tão elevadas como 2284mgO2/L e 3948mgO2/L, respetivamente. Embora não haja limite de CQO definido para águas de irrigação em Portugal, o nível CQO destes efluentes é elevado em comparação com o limite de 150mgO2/L de CQO para descargas de águas residuais. No futuro, já fora do âmbito do presente trabalho, a integração duma coluna de aerificação poderá aperfeiçoar ainda mais os efluentes dos sistemas com SRB testados neste trabalho, reduzindo a CQO para valores toleráveis. Em suma, apesar de tudo, os melaços de laranja e beterraba suportaram o processo de biorremediação de AMD baseado em SRB, tal como indicado pela eficiente redução de sulfato e remoção de metais pesados, com um tempo de retenção aproximado de cerca de 13 dias tanto em reatores em descontínuo como de fluxo contínuo.	pt_PT
dc.description.abstract	The biological method of treating high acidic sulphate and heavy metal contaminated acid mine drainage (AMD) effluents from mining industries using sulphate reducing bacteria (SRB) continue to receive wide attention. This is due to its huge advantages ranging from economical point of view to environmental sustainability, positioning it as an alternative bioremediation strategy over the classical chemical techniques. Efficient sulphate reduction, low sludge production and stability of metal sulphide precipitates in comparison to their hydroxide counter parts over wide range of pH continue to make the biological treatment method competitive. This approach uses biologically generated hydrogen sulphide from the AMD sulphates, reduced by SRB in their process of accepting electrons during the oxidation of organic matter, which precipitates the AMD heavy metals as sulphides. Deficiency of AMD in carbon source/electron donor makes the biological sulphate reduction an electron demanding process. In order to compensate the electron insufficiency of this process, an external organic matter as a carbon source/electron donor needs to be added to achieve efficient sulphate reduction. The importance of carbon sources/electron donors for SRB mediated biological sulphate reduction is very high and for this have received attention from many researchers and several sources have been investigated. Most carbon sources investigated include many agriculturally processed food bi-products as well as organic wastes. However, well known carbon sources, most of which are pure organic compounds like lactate, ethanol, methanol and many other volatile fatty acids (VFA), continue to be used as they deliver better results in terms of sulphate reduction efficiency. The limitation of using these well-known synthetic carbon sources is cost. On the bench, results have been good but scaling up industrially continues to face cost challenges as it becomes almost impossible to implement. Apart from cost considerations, critical in making choice for SRB suitable carbon source/electron donor are factors as availability, degradability, efficiency in terms of sulphate reduction or removal with little or no associated pollutant in discharge effluent as well as kinetic and thermodynamic considerations to envisage any inherent SRB competition with methanogens. Taking into account all these factors, in this work we tested two different types of molasses, an orange molasses produced by an orange juice processing industry through the evaporation of a liquour extracted from orange peels and a beetroot molasses produced by a sugar processing industry, as alternate carbon sources/electron donors for the sulphate reducing bacteria (SRB). This two different molasses were obtained from beetroot and orange juice factories from Southern Spain and Southern Portugal respectively as industrial sub-products known to be rich in sugars. Taking into consideration, the importance of COD/SO42- ratio in the use of organic matter carbon sources for wastewater treatment by SRB and bearing in mind the high COD content of these molasses confirmed in a previous initial characterization at the Laboratory of Environmental Technologies (LET) of the Centre of Marine Sciences (CCMAR) at the Faculty of Science and Technology in the University of Algarve, several dilutions had been tested in batch, each of the molasses diluted in postgate B medium without lactate, trying to obtain COD/SO42- ratios surrounding 1.5 in Postgate B medium. The tested batch dilution of 1:200, amongst several other tested dilutions, gave the best efficient sulphate reduction for both molasses. Based on these previous studies it was established that for this work, experiment to evaluate the feasibility of using the orange and beetroot molasses as carbon sources/electron donors in the treatment of AMD would be performed at 1:200 dilutions. The application of the 1:200 dilutions of both molasses in AMD with SRB in batch tests produced efficient sulphate reduction and simultaneous heavy metals removal in just about 14 days with results in compliance with the national legislative standards for sulphate and heavy metal contaminants for irrigation waters in Portugal (Decree Law no: 236/98, Annex XVI, 1998). With these achieved batch results, we extended our experiments to continuous systems with 1mL/hr flow rate using two upflow anaerobic packed bed (UAPB) bioreactors, one with orange molasses and another with beetroot molasses, both starting with the same dilution (1:200) of molasses in AMD. After optimizing the conditions by increasing the molasses supply for a dilution of 1:133 in AMD, we achieved efficient sulphate reduction and heavy metal removal below standard limit of regulation for irrigation waters in Portugal (Decree Law no: 236/98, Annex XVI, 1998) with an approximate retention time of about 13 days in both bioreactors. Due to the complexity of the used molasses, we analized during the bioremediation assays for the presence of sugars and organic acids. The sulphate reducers took advantage of other members of the bacteria consortia who made the molasses carbon substrates available in simpler forms for the SRB syntrophically. Analyzed batch and continuous system effluent samples showed fashions where the sugars and organic acid appeared in tested media, stabilized and disappeared subsequently suggesting an association with the SRB growth and activity. Complex organic substrates like molasses are not completely utilized by SRB processes and as such generate relatively high COD levels in effluents. The COD in the SRB bioreactor effluents were as high as 2284mgO2/L and 3948mgO2/L for bioreactors fed with orange and beetroot molasses respectively. Although there is no COD limit set for irrigation waters in Portugal, the COD level of this effluents are high compared to COD limit for wastewater discharge at 150mgO2/L. Though outside the scope of this work, in future, integrating an aeration column will further meliorate the effluents of the tested systems, reducing the COD content to bearable values. In summary, after all, the investigated orange and beetroot molasses supported the AMD SRB based bioremediation process, as indicated by the efficient sulphate reduction and heavy metal removal with an approximate retention time of about 13 days in both the batch and the continuous flow systems.	pt_PT
dc.identifier.tid	201701359	pt_PT
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/10400.1/9817
dc.language.iso	eng	pt_PT
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/	pt_PT
dc.subject	Drenagem ácida de mina (AMD)	pt_PT
dc.subject	Bactérias sulfato redutoras (SRB)	pt_PT
dc.subject	Biorremediação	pt_PT
dc.subject	Metais pesados	pt_PT
dc.subject	Fontes de carbono	pt_PT
dc.subject	Biorreatores anaeróbios de fluxo ascendente em leito fixo (UAPB)	pt_PT
dc.title	The development and optimization of chemical and biological processes for the treatment of sulphate rich and heavy metal bearing wastewater from acid mine drainage (AMD) by sulphate reducing bacteria (SRB)	pt_PT
dc.type	master thesis
dspace.entity.type	Publication
rcaap.rights	openAccess	pt_PT
rcaap.type	masterThesis	pt_PT
thesis.degree.grantor	Universidade do Algarve. Faculdade de Ciências e Tecnologia
thesis.degree.level	Mestre
thesis.degree.name	Inovação Química e Regulamentação	pt_PT