Dinámica de los polifenoles procedentes de aguas residuales de la industria vinícola durante el proceso de digestión anaerobia

Abstract

With the development of the wine industry both in Catalonia and Spain throughout these last years, an increase in environmental problems in zones near this kind of industry has happened. This is because the quantity of wastewater and another kind of solid or liquid wastes has also increased a lot. The problem arises from the chemical composition point of view, because of the presence of some substances, the polyphenols, that are produced by the grapes as a defense mechanism against some pathogens, like bacteria, due to they possess bactericide power, therefore they are hardly biodegradable. This fact makes the biological treatment of this kind of residue a complex process, and sometimes, hard to carry on. Anaerobic digestion is a widely used biological process to treat some type of waste, like the vinasses. However, if it is altered, there won¿t be any kind of organic matter reduction nor biogas production, so the treatment won¿t be optimal. The aim of this study is to try to clarify if the polyphenols that are in the winery wastewater could be degraded anaerobically and try to determine its inhibition constant. In the following project, an anaerobic assay was carried on simulating the AnSBR conditions. Wine liquid waste was used as a substrate, with the aim of finding out if the polyphenols could be degraded anaerobically and if this is feasible, try to find which is the concentration of this substance that should not be exceeded in the media, that it is also called inhibition constant. In order to accomplish the objectives, anaerobic biodegradability tests were carried out, where different initial volumes of vinasses were used as a substrate, therefore, different initial polyphenol concentrations. Monitoring its evolution will help to determine if this substance could be degraded anaerobically and from the comparison of the initial biological activities, its inhibition constant will be estimated. The results showed that with the reduction of the values for the initial concentration of polyphenols from 306 mg/L to 86 mg/L, the bacteria activity increases from values of 0,014 ml CH4/g DQO*day to 3,612 mlCH4/g SSV*day Or, using other units, the results obtained were 0,036 ml CH4/g SSV*day and 5,891 ml CH4/g SSV*day, respectively in decreasing order for polyphenol concentration. Moreover, from the results, a range for the polyphenols inhibition constant was obtained, and its maximum and minimum values were 110,45 mg TPP/L and 130,8 mg/L, respectively. This phenomenon was also observed in the methane production yield per consumed DQO, because values from 0,029 ml CH4/g DQO to 138 ml CH4/g DQO, at the treatment with the lowest values of polyphenol concentration (TPP) were obtained. From the previous values, a range for the inhibition constant was obtained. The minimum value was 110,45 mg TPP/L and the maximum was 130,8 mg TPP/L, depending on the calculation method used. Regarding the DQO reduction, the lower was the polyphenol concentration, higher was the DQO reduction. From 1,5% for the tests with the highest TPP to 86% at the tests with the lowest TPP related to the soluble DQO, and regarding the total DQO, the values were from 6,6% to 54%, respectively. Related with the polyphenol¿s degradation dynamics, it was very similar to the obtained for the DQO, because the lower was the initial value of this substance, the higher was its reduction since it was absent in the tests with 306 mg/L as initial concentration to the 82,5% for the group tests with 86 mg/L, the lowest TPP value.

El desenvolupament de la indústria vinícola que s'ha produït tant a Catalunya com a la resta d'Espanya, durant les últimes dècades, ha provocat problemes mediambientals en aquelles zones properes a aquest tipus d'instal·lacions, ja que s'ha vist incrementada la producció d'aigües residuals o altres tipus de residus, ja siguin sòlids o líquids, com les vinasses. La problemàtica sorgeix amb la presència de certs compostos que contenen aquest tipus de residus, com són els polifenols, ja que són substàncies produïdes per el raïm com a mitjà de protecció contra infeccions bacteriològiques, causa del seu poder bactericida i per tant són difícilment biodegradables. Aquest fet provoca que el tractament biològic d'aquest tipus de residus sigui un procés complex i, de vegades, difícil de dur a terme. La digestió anaeròbia és un procés biològic àmpliament utilitzat per al tractament de diversos residus, entre ells les vinasses. No obstant això, si es veu alterada, no hi haurà reducció de càrrega orgànica, ni producció de biogàs i per tant el tractament no serà òptim. L'objectiu d'aquest treball és elucidar si els polifenols continguts en les aigües residuals de la indústria vinícola són biodegradables per via anaeròbia, així com determinar la seva constant d'inhibició. Per complir amb els objectius s'han realitzat assajos de biodegradabilitat anaeròbia, on s'ha emprat diferents volums inicials de vinazas com com a substrat i, per tant, diferents concentracions inicials de polifenols. De el seguiment de la seva evolució es determinarà si poden ser degradats anaeròbicament, i de la comparació de les activitats biològiques inicials s'ha d'estimar la seva constant d'inhibició. Els resultats obtinguts mostren com a mesura que la concentració de polifenols decreix des dels 300 mg / L a 86 mg / L, l'activitat bacteriana de producció de metà augmenta des de valors de 0,014 ml CH4 / g DQO * dia fins als 3,612 ml CH4 / g DQO * dia. O bé, valors de 0,036 ml CH4 / g SSV * dia i 5,891 ml CH4 / g SSV * dia, respectivament per a concentracions decreixents de polifenols. Aquest fet també s'ha observat en el rendiment de la producció de metà per DQO consumida, ja que es passa de valors de 0,029 ml CH4 / g DQO consumit fins a 138 ml CH4 / g DQO consumit, en el tractament amb menor concentració de polifenols ( TPP).A partir dels valors previs s'ha obtingut un rang de valors per a la constant d'inhibició, els valors mínim i màxim ha estat de 110,45 mg TPP / L i de 130,8 mg / L, respectivament, segons el mètode de càlcul utilitzat. Pel que fa a la reducció de la DQO, a mesura que es reduïa la concentració de polifenols, major ha estat la reducció de DQO. Des d'un 1,5% per als assajos amb major concentració de TPP, fins arribar a un 86% en els de menor concentració, respecte a la DQO soluble, i per a la DQO total, des d'un 6,6% fins al 54%, respectivament . Respecte a la dinàmica d'eliminació de polifenols, aquesta ha estat força semblant a la de la DQO, a menor concentració inicial d'aquestes substàncies, major ha estat la seva eliminació, des de valors gairebé nuls per als assajos de major concentració de TPP fins al 82, 5% per als de concentració més baixa.

El desarrollo de la industria vinícola que se ha producido tanto en Cataluña como en el resto de España, durante las últimas décadas, ha provocado problemas medioambientales en aquellas zonas cercanas a este tipo de instalaciones, ya que se ha visto incrementada la producción de aguas residuales u otros tipos de residuos, ya sean sólidos o líquidos, como las vinazas. La problemática surge con la presencia de ciertos compuestos que contienen este tipo de residuos, como son los polifenoles, ya que son sustancias producidas por las uvas como medio de protección contra infecciones bacteriológicas, debido a su poder bactericida y por lo tanto son difícilmente biodegradables. Este hecho provoca que el tratamiento biológico de este tipo de residuos sea un proceso complejo y, en ocasiones, difícil de llevar a cabo. La digestión anaerobia es un proceso biológico ampliamente utilizado para el tratamiento de diversos residuos, entre ellos las vinazas. Sin embargo, si se ve alterada, no habrá reducción de carga orgánica, ni producción de biogás y por tanto el tratamiento no será óptimo. El objetivo del presente trabajo es elucidar si los polifenoles contenidos en las aguas residuales de la industria vinícola son biodegradables por vía anaerobia, así como determinar su constante de inhibición. Para cumplir con los objetivos se han realizado ensayos de biodegradabilidad anaerobia, donde se ha empleado diferentes volúmenes iniciales de vinazas como como sustrato y, por tanto, diferentes concentraciones iniciales de polifenoles. Del seguimiento de su evolución se determinará si pueden ser degradados anaeróbicamente, y de la comparación de las actividades biológicas iniciales se estimará su constante de inhibición. Los resultados obtenidos muestran como a medida que la concentración de polifenoles decrece desde los 300 mg/L a 86 mg/L, la actividad bacteriana de producción de metano aumenta desde valores de 0,014 ml CH4/g DQO*día hasta los 3,612 ml CH4/g DQO*día. O bien, valores de 0,036 ml CH4/g SSV*día y 5,891 ml CH4/g SSV*día, respectivamente para concentraciones decrecientes de polifenoles. Este hecho también se ha observado en el rendimiento de la producción de metano por DQO consumida, ya que se pasa de valores de 0,029 ml CH4/g DQO consumido hasta 138 ml CH4/g DQO consumido, en el tratamiento con menor concentración de polifenoles (TPP). A partir de los valores previos se ha obtenido un rango de valores para la constante de inhibición, cuyos valores mínimo y máximo ha sido de 110,45 mg TPP/L y de 130,8 mg/L, respectivamente, según el método de cálculo utilizado. En cuanto a la reducción de la DQO, a medida que se reducía la concentración de polifenoles, mayor ha sido la reducción de DQO. Desde un 1,5% para los ensayos con mayor concentración de TPP, hasta alcanzar un 86% en los de menor concentración, respecto a la DQO soluble, y para la DQO total, desde un 6,6% hasta el 54%, respectivamente. Respecto a la dinámica de eliminación de polifenoles, esta ha sido bastante parecida a la de la DQO, a menor concentración inicial de estas sustancias, mayor ha sido su eliminación, desde valores casi nulos para los ensayos de mayor concentración de TPP hasta el 82,5% para los de concentración más baja.