Optimization of biological sulfide removal in a CSTR bioreactor

Roosta, Aliakbar; Jahanmiri, A.; Mowla, Dariush; Niazi‎, Ali; Sotoodeh, Hamidreza

doi:10.1007/s00449-012-0685-5

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“…For example, Lohwacharin and Annachhatre reported an oxidation selectivity to sulfur of up to 90% in an aerobic gas-lift bioreactor. Similar values were obtained by Roosta et al in which a sulfur production of 87.8% was obtained using a model validated with an aerobic CSTBR. Our results are in good agreement with other studies conducted in anoxic BTFs.…”

Section: Results and Discussionsupporting

confidence: 89%

“…Also, Fajardo et al found a higher maximum autotrophic denitrifying activity at a pH value of 8 than at 7 for a bacterial consortium using H 2 S as an electron donor. However, as reported by Roosta et al, working at high pH values decreases the sulfur selectivity (because of the promotion of its oxidation to sulfate and increase in polysulfide concentration), highlighting a possible limitation to bear in mind.…”

Section: Results and Discussionmentioning

confidence: 83%

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Hydrogen Sulfide Removal from Biogas and Sulfur Production by Autotrophic Denitrification in a Gas-Lift Bioreactor

González-Cortés

Torres-Herrera

Almenglo

et al. 2020

ACS Sustainable Chem. Eng.

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Biogas biodesulfurization has been successfully performed in biotrickling filters (BTFs). Nevertheless, elemental sulfur (S 0 ) generation and accumulation in the packed bed cause an increase in operating costs restricting its application. This drawback could be avoided using a gas-lift bioreactor as proposed in the present work, which allows recovery and reuse of the generated S 0 . The effect of governing operational parameters [nitrite concentration, nitrogen/sulfur (N/S) molar ratio, hydraulic residence time (HRT), pH, inlet load (IL), and gas residence time (GRT)] was studied. Results showed that no inhibition by nitrite was found at concentrations up to 760 mg N− NO 2 − L −1 . H 2 S removal efficiencies (REs) over 95% were obtained under ILs over 55 g S−H 2 S m −3 h −1 when N/S molar ratios of 1.1 mol mol −1 or above were used. A HRT of 36 h and a pH of 7.8 ± 0.05 were found to be optimal. The maximum S 0 production (99%) was obtained under an IL of 180 g S−H 2 S m −3 h −1 using a N/S molar ratio of 1.1 (RE = 98.1 ± 0.5%). A maximum elimination capacity of 194.2 ± 4.2 g S−H 2 S m −3 h −1 (RE = 83.9%) was obtained under a GRT of 41 s. Therefore, gas-lift bioreactors stand as a successful and feasible alternative to BTFs to accomplish the anoxic biodesulfurization.

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Section: Results and Discussionsupporting

confidence: 89%

Section: Results and Discussionmentioning

confidence: 83%

Hydrogen Sulfide Removal from Biogas and Sulfur Production by Autotrophic Denitrification in a Gas-Lift Bioreactor

González-Cortés

Torres-Herrera

Almenglo

et al. 2020

ACS Sustainable Chem. Eng.

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“…Diseño, caracterización y aplicación de microelectrodos para el estudio de biopelículas sulfuroxidantes biopelícula cultivada en el BPP-FG se describió utilizando las correlaciones desarrolladas en el capítulo 7 (Ecuación 7.15 y Ecuación 7.22). De este modo, la principal incertidumbre es la descripción de la cinética de degradación de H 2 S. La cinética de degradación del H 2 S se modelizó considerando que la eliminación del H 2 S tiene lugar en dos etapas (Mannucci et al 2012;Rodriguez 2013;Roosta et al 2012):…”

Section: Sulfuroxidanteunclassified

“…Por este motivo, es difícil comparar los resultados presentados en estos trabajos con los obtenidos en el estudio actual. Sin embargo, en Roosta et al (2012) diferencian entre el consumo de oxígeno máximo para la oxidación de las 2 especies (sulfuro y azufre elemental). El valore reportado en este trabajo (0.093 mg OD•g SSV -1 •s -1 para la primera reacción y 0.14 mg OD•g SSV -1 •s -1 para la segunda reacción) es un orden de magnitud mayor al presentado en el trabajo actual.…”

Section: Sección Reactor Qmaxb1unclassified

Diseño, caracterización y aplicación de microelectrodos para el estudio de biopelículas sulfuroxidantes

Guimerà Villalba

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This thesis is focused on the development of microsensors specially designed for biofilms monitoring and on the application of these devices to study and characterize different biofilms. Using micro-electromechanical systems (MEMS) technology, an amperometric microsensor for DO monitoring, which improves the performance of the available microsensors, has been designed, constructed and validated. The multi-electrode design of these device, allows to obtain simultaneous information about dissolved oxygen (DO) concentration at 8 different depths through a biofilm, with an excellent DO sensitivity and a high spatial resolution (<50 µm). The high robustness exhibited by the microsensor has been exploited for the monitoring of biotrickling filters, obtaining instantaneous information of DO concentration inside biofilms. Heterotrophic biofilms monitoring has served to quantify mass transport rates within biofilms. These results have been used to increase the knowledge of mechanisms involved in these processes and to establish the relationship between mass transport mechanisms, hydrodynamic conditions and biofilm structure. The information obtained in these studies highlighted how important is to include biofilms heterogeneity in mass transport description, and has been used in the development of two correlations for the estimation of mass transport rate within biofilms. Biofilms monitoring has been also used in the development of specific kinetic models to replace those developed in suspension cultures, used conventionally to describe biofilms activity. From DO, H2S and pH recorded profiles was possible to calibrate kinetic models, which accurately described the activity of heterotrophic and sulfuroxidizing biofilms. Microsensors measurements proved to be an excellent tool to validate biofiltration models and to more accurately predict their behaviour from the characterization of mass transport and biokinetic. Results obtained during the simulations revealed that using microsensors measurements within biofilms, as central elements of bioprocess, increase the thoroughness and the ability to accurately predict the behavior of biofilms. The developed methodology allowed to design a novel MEMS microsensor, based on DO microsensor, integrating into a single device DO and pH measurement. The design and construction of the firts prototype was modified to include a second microelectrodes array to potentiometric pH detection, and some improvements. The reduction of microsensors dimensions and the protection of microelectrodes reduced biofilm perturbations during needle insertion and increased sensor response stability. These improvements place the microsensor as a powerful tool, and as an alternative to conventional monitoring systems, allowing obtaining simultaneous spatial and temporal information within low thickness biofilms. Esta tesis se centra en el desarrollo de nuevos microsensores diseñados específicamente para la monitorización de biopelículas y en su aplicación para el estudio y caracterización de biopelículas de diferente origen (heterótrofas y autótrofas). Utilizando tecnología de sistemas micro-electromecánicos se ha diseñado, fabricado y validado un microsensor amperométrico para la detección del oxígeno disuelto (OD), que mejora las prestaciones de los microsensores disponibles. El diseño multi-electrodo de este dispositivo permite obtener información simultánea de la concentración de OD en 8 puntos diferentes a lo largo de una biopelículas, con una excelente sensibilidad para la detección del OD y una elevada resolución espacial (<50 µm). La elevada robustez que presenta este tipo de dispositivos ha sido aprovechada para monitorizar biofiltros percoladores, obteniendo información a tiempo real de la concentración de OD en el interior de las biopelículas. La monitorización de las biopelículas heterótrofas ha servido para cuantificar en su interior las velocidades de transporte de materia. Estos resultados han sido utilizados para incrementar el conocimiento sobre los mecanismos que intervienen en estos procesos y para establecer la relación entre estos mecanismos, las condiciones hidrodinámicas del sistema y la estructura de la biopelícula. La información obtenida en estos estudios ha demostrado la importancia de incluir la heterogeneidad de las biopelículas en la descripción del transporte de materia, y ha sido utilizada para desarrollar dos correlaciones para la estimación de las velocidades de transporte de materia en el interior de las biopelículas estudiadas. La monitorización de biopelículas también se ha utilizado para desarrollar modelos cinéticos específicos para sustituir los modelos desarrollados en cultivos en suspensión, utilizados tradicionalmente para describir la actividad de biopelículas. A partir de la adquisición de perfiles de OD, H2S y pH en el interior de biopelículas ha sido posible calibrar modelos cinéticos que describen con precisión la actividad de microorganismos en el interior de biopelículas heterótrofas y sulfuroxidantes. Las medidas obtenidas con microsensores demostraron ser una excelente herramienta para validar los modelos de biofiltración y predecir con mayor precisión su comportamiento a partir de la caracterización del transporte de materia y la biocinética. Los resultados obtenidos en la simulación demostraron que la utilización de medidas directas en el interior de biopelículas, como elementos centrales del proceso biotecnológico, aumenta la rigurosidad de los modelos de biofiltración. La metodología desarrollada permitió diseñar un nuevo microsensor MEMS, basado en el de OD, que incorporó en un solo dispositivo la medida de OD y pH. El diseño y la fabricación del primer prototipo se modificaron para incluir una segunda matriz de electrodos para la detección potenciométrica del pH y para incorporar mejoras. La reducción de las dimensiones del microsensor y la protección de los electrodos hizo menos invasiva su medida y aumentó la estabilidad de su respuesta. Estas mejoras sitúan el microsensor como una herramienta de gran potencial, alternativa a los sistemas de monitorización convencionales, que permite obtener información simultánea espacial y temporal de la concentración de OD y pH en el interior de biopelículas con bajo grosor

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