Eliminación de metales pesados en aguas mediante bioadsorción. Evaluación de materiales y modelación del proceso.

• Main Author: Izquierdo Sanchis, Marta
• Other Authors: Marzal Doménech, Paula
• Format: Doctoral Thesis
• Language: Spanish
• Published: Universitat de València 2010
• Subjects: 62; 628
• Online Access: http://hdl.handle.net/10803/52130; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9788437079813

Una de las principales fuentes de contaminación de las aguas es el vertido de efluentes insuficientemente depurados, razón por la que el control de vertidos ha centrado gran parte de las actuaciones legislativas de las administraciones competentes en esta materia. Las técnicas convencionales de depuración de metales pesados presentan dificultades para lograr el cumplimiento de los límites de vertido siendo necesaria la búsqueda de técnicas alternativas para reducir estas emisiones. En este sentido, la investigación en bioadsorción ha mostrado en los últimos años el potencial de esta tecnología para el tratamiento de aguas contaminadas por metales pesados. El objetivo de la tesis doctoral es el estudio de la bioadsorción como tecnología para el tratamiento de aguas residuales industriales contaminadas con metales pesados utilizando Posidonia oceanica y turba como bioadsorbentes. Para ello se ha implementado una metodología dirigida al desarrollo de una herramienta de predicción del proceso de bioadsorción en lecho fijo y a la evaluación de la potencial aplicación del proceso a nivel industrial. La presentación de resultados se inicia con el estudio experimental dirigido a la evaluación del uso de la Posidonia oceanica y de la turba para la eliminación de cobre en aguas. Tras determinar las características físico-químicas de ambos bioadsorbentes, se han evaluado los mecanismos de interacción con el cobre. Se presenta la caracterización del equilibrio de adsorción tanto en discontinuo como en la operación dinámica en columnas de lecho fijo. El empleo de una técnica de estímulo-respuesta ha permitido determinar los valores del coeficiente de dispersión hidrodinámica y su variación con la velocidad intersticial del fluido en lechos de ambos bioadsorbentes. La presencia de agentes complejantes en las aguas residuales puede ocasionar interferencias en los tratamientos de depuración convencionales. Por ello, se analiza el efecto de la presencia de EDTA, seleccionado como agente complejante típico, sobre el rendimiento del proceso. Asimismo, se analiza la reutilización de los bioadsorbentes en ciclos consecutivos de adsorción-desorción. A continuación se presenta el modelo matemático desarrollado con el fin de obtener una herramienta para la simulación de la bioadsorción de metales pesados en columna de lecho fijo. La calibración del modelo se ha realizado utilizando los datos de los ensayos de bioadsorción de cobre en columna de lecho fijo sobre Posidonia oceanica y sobre la turba, y ha permitido la estimación del coeficiente de transferencia de materia interna en estos sistemas. Con la validación del modelo, realizada a partir de experimentos independientes a los utilizados en la fase de calibración, se corroboran las hipótesis del modelo. Asimismo, se incluye un análisis de sensibilidad del modelo mostrando la influencia del coeficiente de dispersión hidrodinámica y del coeficiente de transferencia de materia interna sobre los resultados de las predicciones del modelo. El trabajo se completa con ensayos realizados en el marco de un proyecto de investigación aplicada, financiado por el Instituto Tecnológico Metal-Mecánico (AIMME) para evaluar la aplicación de la tecnología en el sector de tratamiento de superficies. Se presenta un estudio comparativo del rendimiento de la operación sobre diversos materiales incluyendo la Posidonia oceanica y la turba, otros bioadsorbentes (chitosan y chitín) y dos carbones activados comerciales, utilizando cobre o níquel como metales pesados de referencia en las aguas residuales de este sector. El estudio incluye la evaluación de la bioadsorción para el tratamiento de aguas residuales aportadas por una empresa del sector de tratamiento de superficies metálicas. Por último, se analizan los resultados del estudio de una configuración de columnas en serie utilizando un lecho de bioadsorbente seguido de un lecho de carbón activado como alternativa para el tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados en presencia de agentes complejantes. === The objective of this doctoral thesis is to study biosorption technology for treatment of wastewater polluted with heavy metals using Posidonia oceanica and peat as biosorbents. For this purpose, a methodology has been implemented to develop a fixed-bed performance prediction tool and to evaluate the industrial application of biosorption technology. Posidonia oceanica and peat are tested for copper removal from wastewater. Physicochemical properties of both biosorbents and mechanisms involved in copper retention are evaluated. Equilibrium results in batch and dynamic conditions in fixed-bed columns are presented. Hydrodynamic characterisation of biosorbent beds has been achieved with a stimulus-response technique and consequently the hydrodynamic dispersion coefficient and its variation with fluid interstitial velocity have been obtained. The effect of the presence of EDTA in the feed solution of the column was investigated for both biosorbents from an industrial application perspective. Likewise, reutilisation of biosorbents was evaluated in adsorption−desorption cycles. A mathematical model has been developed as a simulation tool for heavy metal biosorption fixed-bed processes. Model calibration is carried out using experimental results of copper biosorption in fixed-bed columns, which allows the intraparticle mass transfer coefficient to be estimated. Experimental results obtained in independent biosorption experiments were used to model validation, corroborating model hypothesis. Finally, the influence of hydrodynamic dispersion coefficient and intraparticle mass transfer coefficient on simulation results is evaluated with a sensitivity analysis. The thesis is completed with a study carried out as a part of a research project focused on the industrial application of the technology. The experimental design was developed to evaluate biosorption technology to treat industrial wastewater from surface treatment facilities, whose main characteristic is the presence of complexing agents. The copper and nickel biosorption performance of Posidonia oceanica and peat is compared with those of other biosorbents (chitosan and chitin) and with two activated carbons. Sorbent performances were also checked using industrial wastewater of a representative facility of the surface treatment sector. A serial column configuration with a biosorbent bed of Posidonia oceanica or peat coupled with an activated carbon bed was evaluated as an alternative configuration for heavy metal with complexing agent wastewater treatment.