PROGRAMA DE DOCTORADO EN INGENIERÍA Y PRODUCCIÓN INDUSTRIAL Tratamiento biológico aerobio para aguas residuales con elevada conductividad y concentración de fenoles TESIS DOCTORAL Presentada por: Eva Ferrer Polonio Dirigida por: Dr. José Antonio Mendoza Roca Dra. Alicia Iborra Clar Valencia Mayo 2017 AGRADECIMIENTOS La sabiduría popular, a la cual recurro muchas veces, dice: “Es de bien nacido ser agradecido”… pues sigamos su consejo, aquí van los míos. En primer lugar quiero agradecer a mis directores la confianza depositada en mí y a Depuración de Aguas del Mediterráneo, especialmente a Laura Pastor y Silvia Doñate, la dedicación e ilusión puestas en el proyecto. Durante el desarrollo de esta Tesis Doctoral he tenido la inmensa suerte de contar con un grupo de personas de las que he aprendido muchísimo y que de forma desinteresada han colaborado en este trabajo, enriqueciéndolo enormemente. Gracias al Dr. Jaime Primo Millo, del Instituto Agroforestal Mediterráneo de la Universitat Politècnica de València, por el asesoramiento recibido y por permitirme utilizar los equipos de cromatografía de sus instalaciones. También quiero dar un agradecimiento especial a una de las personas de su equipo de investigación, ya que sin su ayuda, tiempo y enseñanzas en los primeros análisis realizados con esta técnica, no me hubiera sido posible llevar a cabo esta tarea con tanta facilidad…gracias Dra. Nuria Cabedo Escrig. Otra de las personas con las que he tenido la suerte de colaborar ha sido la Dra. Blanca Pérez Úz, del Departamento de Microbiología III de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Complutense de Madrid. Blanca, aunque no nos conocemos personalmente, tu profesionalidad y dedicación han permitido superar las barreras de la distancia…gracias. Dentro de este grupo de personas no podía faltar el Dr. José Luis Alonso Molina, responsable del Grupo de Química y Microbiología del Agua de la Universitat Politècnica de València. José Luis, gracias por tu colaboración y ayuda y gracias por hacerme accesible una pequeña parte del mundo de la microbiología. Gracias también a Inma y a Julian por estar siempre dispuestos a ayudarme, todo un lujazo tener a gente así cerquita. Y por último...gràcies Cèsar, per a una analfabeta informàtica com jo que estigueres ahí ha sigut de gran ajuda, ademés d'algun consellet d'estadística que també m'ha vingut molt bé...thanks. Pero todo no ha sido trabajo… también han habido muchas risas gracias al grupito de “Las chic@s de abajo”. Este grupo ha ido aumentando y disminuyendo en función de las personas que han ido pasando por el laboratorio a hacer su doctorado, TFG, TFM, Erasmus… Muchos nombres y caras vienen a mi cabeza; Chiara, Tatiana, Mireia, Miriam, Queralt, Danielle, Mandy, Ken… pero a la que más echamos todos en falta, sin lugar a dudas, es Elena A...aunque es un ventaja saber que tenemos casa en Noruega si vamos de vacaciones Y después están los fijos del grupito: Sergio, Laura, Mónica y dos infiltradas del grupo de “los de arriba”… Rita y Bianca, aunque no sois del “lab bueno” os queremos igual guapis. Sobre las 11 se lanza el whatsapp y tenemos aseguradas unas ¿Falta alguien? Jejeje, ¡¡claro que falta gente!! … “La mare” no se ha olvidado de vosotros. Faltan mis compañer@s de lab, aunque para mí son mucho más que eso, son amigos…y de los buenos, de los que te ayudan a solucionar los problemas y con los que compartes ilusiones y metas, vamos…de los que no tienen precio. Carlitos, mi compi de proyecto, aunque Mariajo dice que ya no molas tanto como antes, yo digo que SI MOLAS. José Luis, ojala se m’apegara un poquet de la teua disciplina en el lab…tu i jo som com el ying i el yang de les normes de seguretat, encara recorde la teua cara quan me veres traure el tupper del dinar de la nevera de les mostres…jajaja. Ara vas tu Mariajo, encara que te pegue el puro per a que estigues al tanto de la política i temes d’actualitat…tu ni cas!!! I el tema musical ja no el toque…eres “carne de cañón del reguetón” i no hi ha res a fer. Irene i Elena, quan se vos tira a faltar!!! a la UPV li falta alguna cosa des que no esteu. En junio quedada de “modelitos” en Asturias, queremos prao y queremos espicha y un poquiño de sidriña. Ya terminando con esto, no podía faltar mi familia en mis agradecimientos. Mis padres, mi hermana y mi sobrina Rocío…que es lo que más quiero en este mundo. Family…per fi presente la Tesis!!! Y mis últimos agradecimientos van para la persona que sin duda es mi modelo a seguir, con la que he podido contar en todo momento y de la que más he aprendido en estos últimos años … mi tutor José Antonio, sin duda esta oportunidad que me has dado ha cambiado mi vida. Gracias en MAYÚSCULAS, negrita y subrayado. ÍNDICE Índice General RESÚMENES……………………………………………………………… 1 PREFACIO…………………………………………………………………. 15 NOTACIÓN………………………………………………………………… 23 CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN…………………………………........ 31 I.1. Motivación…………………………………………………………. 35 I.2. Objetivos…………………………………………………………… 37 CAPÍTULO II. ANTECEDENTES………………………………….. 41 II.1. Producción de las aceitunas de mesa………………………… 45 II.1.1. Marco económico………………………………………………. 45 II.1.2. Procesado de las aceitunas de mesa……………………………. 47 II.1.2.1. Aceitunas verdes de mesa al “Estilo Español”………….. 49 II.1.2.2. Agua residual generada en el procesado………………… 52 II.1.3. Gestión del agua residual generada durante el procesado y envasado……………………………………………………….. 54 II.2. Salmuera de fermentación del procesado de la aceituna (FTOP)…………………………………………………………….. 57 II.2.1. Caracterización de las FTOP………………………………….. 59 II.3. Bibliografía…………………………………………………......... 61 CAPÍTULO III. ESTUDIOS PREVIOS……………………………… 65 III.1. Pretratamientos………………………………………………… 69 III.1.1. Modificación del pH y Coagulación/Floculación…………….. 72 III.1.2. Adsorción……………………………………………………... 75 III.1.2.1. Carbón Activo…………………………………………… 86 III.1.2.2. Recuperación de compuestos fenólicos…………………. 90 Índice General III.2. Tratamiento biológico aerobio……………………………….. 95 III.2.1. Tratamiento biológico de aguas hipersalinas…………………. 95 III.2.1.1. Microorganismos Halotolerantes y Halófilos................... 96 III.2.2. Biodegradación de compuestos fenólicos…………………….. 102 III.2.3. Metabolismo celular y requerimiento de nutrientes…………... 104 III.2.4. Reactores Biológicos Secuenciales…………………………… 110 III.3. Tratamiento biológico con fases anaerobias y aerobias alternas…………………………………………………………... 115 III.4. Tratamientos terciarios………………………………………. 118 III.4.1. Tratamiento con membranas………………………………….. 120 III.5. Resumen…………………………………………………………. 124 III.6. Bibliografía……………………………………………………. 127 CAPÍTULO IV. MATERIALES Y MÉTODOS ANALÍTICOS…. 141 IV.1. Equipos experimentales……………………………………….. 145 IV.1.1. Jar-test………………………………………………………… 145 IV.1.2. Planta Piloto ITACA: SBR…………………………………… 146 IV.2. Equipos instrumentales………………………………………... 151 IV.2.1. Espectofotómetro……………………………………………... 151 IV.2.2. Microtox®…………………………………………………….. 152 IV.2.3. Microscopios para el recuento e identificación de bacteria y protistas en el fango activo……………………………………. 152 IV.2.4. Cromatógrafo líquido de alta eficiencia………………………. 154 IV.2.5. Respirómetro………………………………………………….. 155 IV.2.6. Módulos de membranas………………………………………. 157 IV.2.7. Equipos auxiliares…………………………………………….. 160 IV.3. Métodos analíticos……………………………………………… 161 Índice General IV.3.1. Demanda química de oxígeno………………………………… 161 IV.3.2. Nitrógeno total………………………………………………... 162 IV.3.3. Fósforo total…………………………………………………... 162 IV.3.4. Cloruros………………………………………………………. 163 IV.3.5. Color………………………………………………………….. 163 IV.3.6. Sólidos suspendidos y sólidos suspendidos volátiles…………... 164 IV.3.7. Toxicidad……………………………………………………... 165 IV.3.8. Identificación y cuantificación de bacterias…………………... 168 IV.3.8.1. Hibridación fluorescente in situ (FISH) para la cuantificación bacteriana del fango activo………………. 169 IV.3.8.2. Aislamiento e identificación de bacterias tolerantes salina. 175 IV.3.9. Identificación y cuantificación de protistas…………………... 176 IV.3.9.1. Recuento de protistas en el fango activo………………... 177 IV.3.9.2. Aislamiento e identificación de los protistas……………. 178 IV.3.10. Capacidad antioxidante total………………………………… 180 IV.3.11. Fenoles totales……………………………………………….. 182 IV.3.12. Perfil fenólico: análisis HPLC………………………………. 183 IV.3.13. Respirometría……………………………………………….. 193 IV.4. Reactivos…………………………………………………………. 198 IV.5. Bibliografía……………………………………………………… 204 CAPÍTULO V. METODOLOGÍA……………………………………... 209 V.1. Caracterización de las FTOP………………………………….. 215 V.2. Pretratamientos…………………………………………………... 215 V.2.1. Ajuste de pH…………………………………………………… 217 V.2.2. Coagulantes-Floculantes………………………………………. 218 V.2.3. Adsorción con carbón activo…………………………………... 219 Índice General V.2.4. Recuperación de compuestos fenólicos………………………….. 222 V.3. Tratamiento Biológico…………………………………………... 230 V.3.1. Puesta en marcha………………………………………………. 230 V.3.2. Optimización del rendimiento de eliminación de materia orgánica y compuestos fenólicos………………………………………... 234 V.3.2.1. Concentración de nutrientes en las FTOP……………….. 236 V.3.2.2. Pretratamiento de las FTOP con carbón activo…………. 238 V.3.2.3. Condiciones isotermas del licor de mezcla a 30ºC………. 241 V.3.3. Alternancia de fases anaerobias y fases aerobias……………… 244 V.4. Tratamiento terciario: ultrafiltración y nanofiltración…………. 247 V.5. Bibliografía……………………………………………………….. 251 CAPÍTULO VI. RESULTADOS……………………………………….. 253 VI.1. Pretratamientos……………………………………………….... 259 VI.1.1. Tratamientos alternativos previos a la operación de reciclado o recuperación………………………………………………… 259