Potential of Biological Sulphur Recovery Under Haloalkaline Conditions

Abstract

Massa- ja paperiteollisuuden (P&P) sekä petrokemian teollisuuden prosesseissa esiintyy rikkipitoisia virtoja ja rikkiyhdisteitä sisältäviä jätevesiä. Ylimäärärikin talteenotto mekaanisesti erotettavana alkuainerikkinä emäksisistä ja suolaisesta liuoksesta haloalkalifiilisiä rikinhapettajabakteereita käyttäen ei edellytä korkeaa painetta ja lämpötilaa kuten fysikaalis-kemialliset menetelmät. Orgaanisten raaka-aineiden jalostamisen jätevedet sisältävät kuitenkin orgaanisia yhdisteitä, jotka saattavat olla haitallisia kemolitoautotrofisille bakteereille.

Tämän työssä tutkittiin biologista alkuainerikin tuottoa tiosulfaattia sisältävistä liuoksista. Kemolitoautotrofisten ja haloalkalifiilisten rikinhapettajabakteerien (<i>Thioalkalivibrio versutus</i> ja <i>T. denitrificans</i>) tiosulfaatin (S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP>) biotransformaatioiden ja kasvun kinetiikkaa tutkittiin ja mallinnettiin. Jatkuvatoimista bioprosessia rikin tuottoon tiosulfaatista tutkittiin leijupetibioreaktoria (FBBR) ja <i>T. versutus</i> -puhdasviljelmää käyttäen. Lopuksi tutkittiin orgaanisten yhdisteiden ja P&P-jätevesien vaikutuksia S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP> biotransformaatioihin.

Aerobinen S<SUP>0</SUP> tuottava tiosulfaatin biotransformaationopeus <i>T. versutus</i> bakteerilla oli suurempi (<i>q<SUB>m</SUB></i>=0,083 h<SUP>-1</SUP>) kuin <i>T. denitrificans -bakteerilla</i> (<i>q<SUB>m</SUB></i>=0,024 h<SUP>-1</SUP>) suurilla substraattipitoisuuksilla. <i>T. denitrificans</i> ei tuottanut alkuainerikkiä dentirifikaatiolla. FBBR:ssä saavutettiin lähes 100 % S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2</SUP>- biotransformaatio kuormituksella 19 g S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP>-S/L/d ja suurin S<SUP>0</SUP> -saanto (27±2 %) kuormituksella 22 g S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP>-S/L/d. Ei-aseptinen FBBR-järjestelmä soveltui puhdasviljelmän ylläpitoon ja tiosulfaatin biotransformaatioon. Tuotetun S<SUP>0</SUP>:n erotukseen sentrifikaatio ja FeCl2 -koagulaatio olivat tehokkaammat menetelmät. <i>T. versutus</i> kasvoi ja tuotti S<SUP>0</SUP>:a tiosulfaatista valkaisun primäärisuodoksen ja sellutehtaan komposiittijäteveden sekä niiden orgaanisten aineosien läsnäollessä. Hiivauute (2,5-5 g/l) tehosti S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2</SUP>- biotransformaatioita ja kasvua.

Täässä työssä osoitetaan S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2</SUP>- biotransformaatio alkuainerikiksi synteettisissä emäksisissä (pH 10) ja suolaisissa (14-26 g/L Na<SUP>+</SUP>) panosviljeilyissä ja jatkuvatoimisissa reaktoreissa käyttäen <i>T. versutus</i> -puhdasviljelmää aerobisissa olosuhteissa. <i>T. versutus</i> sieti massa- ja paperiteollisuuden jätevesien orgaanisia aineosia, mikä viittaa mahdollisuuteen kehittää bioprosessia erityisesti massa- ja paperiteollisuuden jätevesien rikin talteenottoon.

Process industries, such as pulp and paper (P&P) and petrochemical, generate concentrated sulphurous process streams and wastewaters. The process streams, which are saline and alkaline (haloalkaline), require careful management as they potentially increase operational costs, related to chemical balancing and corrosion. Sulphur recovery by haloalkaliphilic sulphur oxidizing bacteria (SOB) instead of physicochemical methods would be a cost-efficient approach as it works at ambient pressure and temperature and produces separable elemental sulphur (S<SUP>0</SUP>). However, the wastewaters of organic raw-material processing industries can contain organic compounds that may harm chemolithoautotrophic SOB.

The aim of this work was to study the biological S<SUP>0</SUP> recovery potential by chemolithoautotrophic SOB from haloalkaline sulphurous solutions for possible use in industrial process streams and wastewaters. Therefore, the kinetics of thiosulphate (S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP>) biotransformation and growth of model haloalkaliphilic SOB (<i>Thioalkalivibrio versutus</i> and <i>T. denitrificans</i>) were delineated. Also, the S<SUP>0</SUP> recovery by <i>T. denitrificans</i> under anoxic conditions was investigated. Third, the potential of continuous bioprocess with increasing S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP> loading rates was studied in a <i>T. versutus</i> amended fluidized bed bioreactor (FBBR). Finally, the effects of organic compounds and P&P wastewaters on S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP> biotransformation were delineated.

The kinetic studies showed high-rate S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP> biotransformation by <i>T. versutus</i> (<i>q<SUB>m</SUB></i>=0.083 h<SUP>-</sup>1) and somewhat lower by T. denitrificans (<i>q<SUB>m</SUB></i>=0.024 h<SUP>-1</sup>) at high initial substrate concentrations under aerobic conditions. S<SUP>0</SUP> was formed by both bacteria in the aerobic batch assays whilst it was not formed by denitrification by <i>T. denitrificans</i>. In the FBBR, 100% S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP> removal efficiency and 27±2% S<SUP>0</SUP> yield were achieved at loading rates of 19 g S/L/d and 22 g S/L/d, respectively. The non-aseptic FBBR system was suitable to maintain the pure culture but was not suitable for S<SUP>0</SUP> settling. <i>T. versutus</i> showed high tolerance towards P&P mill wastewaters (primary filtrate of bleaching, composite wastewater) and the constituents studied in this work. Yeast extract (2.5-5 g/L) enhanced biotransformation and growth.

This work demonstrates efficient S<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB><SUP>2-</SUP> biotransformation from synthetic solutions (pH 10, 14-26 g/L Na<SUP>+</SUP>) and P&P wastewaters under aerobic conditions. The outcomes of this thesis can be used for future bioprocess development.