Desarrollo de una tecnología para disminuir la concentración de sulfato en drenajes ácidos de minas y aguas contaminadas usando un consorcio microbiano reductor de sulfato

Abstract

El sulfato es un contaminante presente en aguas residuales de la industria minera y en drenajes ácidos de minas. En altos niveles genera problemas ambientales, como aumentar la producción de ácido sulfhídrico, un gas tóxico, en las etapas anaerobias del tratamiento de aguas. Existen alternativas fisicoquímicas para reducir los niveles de sulfato en agua, siendo ninguna de éstas lo suficientemente rentable y eficiente. El sulfato puede reducirse a ácido sulfhídrico utilizando bacterias reductoras de sulfato (BRS). Los nutrientes directos para las BRS son de bajo peso molecular como lactato, piruvato o etanol; todos de alto costo, lo que impide que un sistema biológico para la reducción de sulfato sea rentable. En esta investigación, se cultivó un consorcio microbiano reductor de sulfato halotolerante usando fuentes de carbono de alto peso molecular, lo que permite disminuir los costos para el tratamiento de aguas con altos niveles de sulfato. En la literatura se ha reportado que bacterias reductoras de sulfato halófitas presentan una alta tasa de reducción de sulfato, por lo que este consorcio microbiano es una buena alternativa para el desarrollo de un sistema de tratamiento de aguas con altos niveles de sulfato. Los resultados obtenidos indican que este consorcio microbiano reductor de sulfato puede utilizar sustratos orgánicos complejos como espirulina, almidón, celulosa y almidón industrial. Además, este consorcio microbiano, al ser cultivado en medios con espirulina, almidón o celulosa, es capaz de remover el sulfato presente en el medio de cultivo. Por medio de hibridación in situ, se determinó que el consorcio microbiano reductor de sulfato está compuesto por microorganismos pertenecientes a distintos grupos filogenéticos, siendo el más importante el de las Proteobacteria delta, grupo al cual pertenecen la mayoría de las BRS. El pH y la concentración de NaCl son factores determinantes de la capacidad del consorcio microbiano de reducir sulfato, de manera que pH menores que 6 o la ausencia de NaCl inhiben la capacidad de reducción de sulfato. Por otro lado, la presencia de zinc y cobre en el medio de cultivo disminuyen la capacidad del consorcio microbiano de reducir sulfato. El consorcio microbiano se escaló a biorreactores con tres configuraciones distintas: sin material de soporte, con piedras de acuario como soporte y Celite R-635 como soporte. Con los tres biorreactores se observó reducción de la concentración de sulfato durante su operación como lote y semicontínuo. Por último, se logró reducir la concentración de sulfato de un drenaje ácido de mina usando un biorreactor basado en la capacidad de este consorcio microbiano de reducir sulfato y utilizar sustratos complejos, como el almidón industrial. El drenaje ácido de mina utilizado se pretrató con cal y biosorción para disminuir la concentración de metales pesados y aumentar el pH. Por lo tanto en esta tesis se propone una alternativa más rentable para la eliminación del sulfato presente en aguas, en comparación a aquellas que utilizan moléculas de bajo peso molecular.

Sulfate is a pollutant present in the mining waste water and acid mine drainage. High levels of sulfate can generate environmental problems like the increase of the production of sulfhidric acid during the anaerobic waste water treatment. There are physicochemical treatments for reducing the levels of sulfate in the water. However, these treatments are too expensive to be applied at large scale. The sulfate can be reduced to sulfhidric acid using sulfate reducing bacteria (SRB). The substrates used by the SRB are low molecular weight as lactate, piruvate and ethanol; all of them are highly expensive. In this investigation a salt tolerant sulfate reducing consortium has been cultured using high molecular weight substrates. The use of these high molecular weight substrates reduces the cost of the treatment of waters with high sulfate concentration. In the literature, it has been reported that halophilic sulfate reducing bacteria present a high sulfate reduction activity. For this reason this sulfate reducing consortium is a good alternative for the treatment of water with high sulfate concentration. The results show that the sulfate reducing consortium can be cultured using complex organic substrates like spirulina, starch, cellulose and industrial starch. Indeed, when this microbial consortium is cultured with spirulina, starch or cellulose, it is able to reduce the sulfate present in the medium. Using fluorescent in situ hybridization it was determinated that the sulfate reducing consortium was composed by phylogentically different microorganisms. However, the most important group is the delta Proteobacteria, which the majority of the SRB belong to. The pH value and the NaCl concentration are determinant factors of the sulfate reducing ability of the consortium. Media with pH values lower than 6 or in the absence of NaCl inhibited the ability of the sulfate reducing consortium to remove sulfate. On the other hand, the sulfate reducing ability was lower in presence of zinc and copper in the culture medium. The sulfate reducing consortium was cultured on three bioreactors with different configurations: without support material, with acuarium stones and with Celite R-635 as support material. Using the three bioreactors it was possible to reduce the sulfate concentration in the culture medium with a batch and semicontinuous operation. Finally, the sulfate concentration present on a acid mine drainage was reduced using a bioreactor with a sulfate reducing consortium able of reduce sulfate and using complex substrates like industrial starch. The acid mine drainage used was pretreated by lime remotion and biosortion in order to reduce the heavy metals concentration and increase the pH This represents a more economic alternative for the remotion of sulfate present on waters rather than the alternatives that use low molecular weight substrate.