Degradación del fenol presente en aguas residuales de aeronaves mediante Pseudomonas aeruginosa

Abstract

El presente estudio de investigación trata sobre la degradación del fenol por medio del microorganismo Pseudomonas aeruginosa, el cual se ha efectuado en el laboratorio de Microbiología en las instalaciones de la Universidad Nacional de Ingeniería. Para el desarrollo experimental de este estudio se siguió una metodología de tres pasos, el primero consistió en el aislamiento de las cepas microbianas a partir de muestras de agua provenientes de UNIPETROABC-Talara (Lote 9, pozo 7344), y otras provenientes de Pirín D-Puno (las muestras de agua y suelo fueron tomadas de alrededores del pozo sellado, y otras muestras de hidrocarburo que se recogieron antes del sellado del pozo); de todas ellas se hicieron cultivos para la obtención de la mayor cantidad posible de cepas y ser identificadas mediante pruebas bioquímicas. El segundo paso consistió en un periodo de adaptación de la cepa seleccionada para ser utilizada en los ensayos experimentales. El tercer paso fue la utilización de la cepa, identificada como Pseudomonas aeruginosa, en el proceso de la biodegradación del fenol contenido en soluciones acuosas y en las muestras de aguas residuales provenientes de los retretes de las aeronaves. El estudio de la influencia de los factores ambientales ha sido posible, mediante un diseño experimental de degradación del fenol en soluciones acuosas con rangos de concentración (30 - 70 mg/L de fenol), temperatura (16 - 28 °C) y matriz (37 - 55 unidades de perlas de alginato de calcio). En el diagrama de Pareto obtenido del estudio factorial 2k, nos indicó que la temperatura es una variable de gran influencia, seguida de la matriz y finalmente la concentración inicial de fenol, con los siguientes valores de 22.316, 11.776 y 5.507, respectivamente, con el modelamiento de la siguiente ecuación: Yest = 43.150 + 8.425 * Matriz + 15.965 * Temperatura - 3.940 * []0Fenol + 2.970 * Matriz * Temperatura - 2.025 * Matriz * [ ]oFenol + 4.255 * Temperatura * []oFenol. La optimización del diseño estadístico experimental, se desarrolló mediante la metodología de superficie respuesta y diseño central compuesto de· 20 ensayos experimentales. Se obtuvieron como parámetros más óptimos: temperatura 33 °C, matriz: 62 unidades de perlas de alginato de calcio, concentración inicial 49 mg/L de fenol, eficiencia de remoción del fenol 73.78 %, en un volumen de 300 mL, aireación constante de 0.046 vvm, modelada con la siguiente ecuación: Y = 51.628 + 8.785 * Matriz + 16.202 * Temperatura - 3.869 * []o Fenol -4.051 * Matriz * Matriz - 5.964 * Temperatura * Temperatura + 1.439 * []o Fenol * [Jo Fenol + 2.970 * Matriz * Temperatura - 2.025 * Matriz * [ ]o Fenol + 4.255 * Temperatura * []o Fenol . Analizando ambas ecuaciones se confirma que la temperatura es un parámetro fundamental en la degradación de fenol. El equilibrio de adsorción-biodegradación ha sido estudiada con los modelos de isotermas, donde se obtuvo que el modelo de Freundlich es el que se ajusta mejor en comparación con la isoterma de Langmuir, con los siguientes valores: KF = 0.328 Umg, 1/n= 0.7158, R2 = 0.991 y KL =0.020, R2 = 0.809, respectivamente. El estudio cinético ha sido estudiada en concentraciones de C¡= 10.526 mg/L fenol (concentración original) y 20 mg/L fenol (concentración ajustada) presente en aguas residuales provenientes de los retretes de los aviones observándose que el mejor modelo que describe la velocidad de degradación de fenol es la cinética de primer orden con los siguientes valores; K1 = 0.2441 y 0.1167 h-1; R2 = 0.9694 y 0.9588, respectivamente. No obstante, se obtuvieron los siguientes valores cinéticos: modelo cinético de orden cero: K = 3.6025 y 3.3574 h-1; R2 = 0.9614 y 0.9467, respectivamente y modelo cinético de segundo orden: K2 = 0.1325 y 0.0291 h-1; R2 = 0.9588 y 0.9513, respectivamente. Además, en la cinética de adsorción­ biodegradación para concentraciones de C¡= 10.526 y 20 mg/L fenol, se obtuvo que el modelo de pseudo segundo orden es el que describe mejor la cinética de adsorción-biodegradación que los modelos cinéticos de pseudo primer orden y modelo de transferencia, con los siguientes parámetros: K2 = 0.245 y 0.021 (g/mg­h), R2 = 0.985 y 0.924; K1 = 1.8353 y 0.8405 h-1 R2 = 0.9624 y 0.9178; Ko = 0.4157 y 0.3275, R2 = 0.783 y 0.864, respectivamente, para condiciones de trabajo de temperatura de 22 - 28 °C, tiempo de contacto de 2.75 y 4.5 horas, respectivamente con matriz de 20.13 g (238 perlas de alginato de calcio e/u de diámetro de 0.369 cm), volumen 3 L con aireación constante de 0.018 vvm. Palabras clave: Batch, cinética de adsorción-biodegradación, degradación de fenol, diseño central compuesto, isotermas de adsorción, inmovilización en alginato, metodología de superficie respuesta, Pseudomonas aeruginosa, pruebas bioquímicas, solución acuosa, velocidad de reacción.

The present research treats on the degradation of phenol by means of the microorganism Pseudomonas aeruginosa, which has been made in the Microbiology laboratory facilities of the Universidad Nacional de Ingeniería, Lima Perú. Experiments has been done in three steps, the first consisted in the isolation of the microbial strain from water sample from UNIPETROABC-Talara (lot 9, well 7344), soil and water from Pirín-D-Puno, and hydrocarbon sample that was saved (before sealing the well). Cultivation was done in order to obtain the great quantity possible of strains to be studied and characterize them by means of biochemical tests. Te second step consisted in a period of adaptation of the selected strain to be used in the experimental assays. The third step was the use of the Pseudomonas aeruginosa strain, itself in the process of biodegradation of phenol content in aqueous solutions and samples of wastewater from aircraft toilets. Study the influence of the environmental factors has been possible, through an experimental design for the degradation of the phenol in aqueous solutions, in a range of concentration (30 - 70 mg/L phenol), temperature (16 - 28 °C) and matrix (37 - 55 units of calcium alginate beads). In the Pareto diagram obtained the factorial study 2 indicated us that the temperature is a variable of great influence, followed by the matrix and finally the initial concentration of phenol, whit values of 22.316, 11.776 y 5.507, respectively, with the following equation modeling: Yest =43.150 + 8.425 * Matriz + 15.965 * Temperature - 3.940 * []0Fenol + 2.970 * Matriz * Temperature - 2.025 * Matriz * []0 Fenol + 4.255 * Temperature * []oFenol. The optimization of statistical experimental design, was developed through the response surface methodology and central composite design (20 experimental trials), parameters were obtained more optimum: temperature 33 °C, matrix: 62 units of calcium alginate beads, initial concentration of phenol 49 mg/L, removal efficiency of phenol 73.78 %, in a volume of 300 ml, constant aeration of 0.046 vvm, with the following equation: Y = 51.628 + 8.785 * Matriz + 16.202 * Temperature - 3.869 * []o Fenol - 4.051 * Matriz * Matriz - 5.964 * Temperature * Temperature + 1.439 * []o Fenol * []o Fenol + 2.970 * Matriz * Temperature - 2.025 * Matriz * []o Fenol + 4.255 * Temperature * []o Fenol. Analyzing both equation confirms that the temperature is a fundamental parameter in the degradation of phenol. The equilibrium adsorption-biodegradation has been analyzed by models of isotherms, showing that Freundlich model fits better that Langmuir isotherm, with values: KF = 0.328 Umg, 1/n = 0.7158, R = 0.9916; KL =0.020, R2 = 0.809, respectively. In kinetic studies for concentrations of C¡= 10.526 mg/L phenol (original concentration) and 20 mg/L phenol (adjusted concentration) present in aircraft toilet wasterwater, the best model that describes the rate of phenol degradation is the first order kinetics with the following values; K1 = 0.2441 and 0.1167 h-1; R2 =0.9694 and 3.3574 h-1; R2 = 0.9614 and 0.9467, respectively; kinetic model of second order: K2 = 0.1325 and 0.0291 h-1; R2 = 0.9588 and 0.9513, respectively. The adsorption-biodegradation kinetic for concentration of C¡= 10.526 and 20 mg/L phenol, also shows that the pseudo second order model is that best describe it than pseudo first order model and mass transfer model, with the following parameters: K2 = 0.245 and 0.021 (g/mg-h), R2 = 20.985 and 0.924; K1 = 1.8353 and 0.8405 h-1, = 0.9624 an 0.9178; Ko = 0.4157 and 0.3275, R2 = O.783 and 0.864, respectively, for working conditions: temperature 22-28 °C, contact time of 2.75 and 4.5 hours, respectively, matrix 20.13 g (238 calcium alginate beads e/u of diameter 0.369 cm), volume 3L with constant aeration of 0.018 wm. Key words: Batch, adsorption-biodegradation kinetics, degradation of phenol, central composite design, adsorption isotherm, alginate immobilization, response surface methodology, Pseudomonas aeruginosa, biochemical tests, aqueous solution, reaction rates.