TRATAMIENTO DE UN EFLUENTE TEXTIL POR MEDIO DE UN BIOFILTRO DISCONTINUO SECUENCIADO ANAEROBIO/AEROBIO Rosa María MELGOZA-ALEMÁN y Raymundo DE LA CRUZ-GONZÁLEZ Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas /Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Av. Universidad 1001 Col. Chamilpa Cuernavaca, Morelos, México. C.P. 62209. Email: [email protected] Palabras clave: agua residual textil; biofiltro discontinuo secuenciado; proceso anaerobio/aerobio RESUMEN Las aguas residuales de la industria textil son difíciles de tratar debido la gran variedad de contaminantes recalcitrantes que utilizan durante sus procesos de fabricación. Su tratamiento es necesario para propósitos de reuso debido a que éste es uno de los sectores que más consumen agua. El objetivo de este trabajo fue evaluar el tratamiento de un efluente textil real conteniendo colorantes reactivos azo principalmente, mediante un biofiltro discontinuo secuenciado integrando ambientes anaerobios/aerobios en un sólo tanque. Se utilizó un reactor empacado con piedra volcánica (tezontle), la biomasa fue una mezcla de lodos activados provenientes de una planta que trata aguas municipales y otra que trata aguas industriales. Durante la fase de reacción anaerobia ocurrió la decoloración del efluente por reducción mediante el rompimiento del enlace azo de los colorantes presentes y la remoción del 80% de la DQOt. En la fase de reacción aerobia se logró la remoción de la DQOt residual de la fase anaerobia. El biofiltro operó durante 59 ciclos (191 días) aclimatándose al agua residual después de 13 ciclos de operación (37 días). Las eficiencias de remoción medidas como DQOt fueron en promedio de 86 % para la fase anaerobia y 91 % en la fase aerobia con una eficiencia global del proceso del 98 %. El color fue removido en un 93%. El tiempo de retención hidráulica disminuyó de 51 a 16 h. El biofiltro soportó cargas desde 0.2 hasta 2.1 kg DQO/m3-d y trató de manera eficiente concentraciones iniciales de 9 441 mg DQOt/L. INTRODUCCIÓN Las aguas residuales de la industria textil son difíciles de tratar debido a la gran variedad de contaminantes recalcitrantes utilizados en sus procesos de fabricación, generando grandes cantidades de agua residual, donde los contaminantes son extremadamente diversos y variados de acuerdo con el tipo fibra, hilo y/o tela, proceso y uso de productos químicos. Los procesos húmedos como limpieza de materias primas y productos, llenado, carbonizado, desmenuzado, blanqueado, mercerizado y teñido son los que mayor potencial

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tienen para producir efluentes con compuestos químicos resistentes a la degradación biológica, principalmente los colorantes. El tratamiento de las aguas residuales textiles además de ser de importancia ambiental, es necesario para propósitos de reuso, debido a que éste es uno de los sectores que más consumo de agua presentan durante su fabricación. La industria textil consume aproximadamente dos tercios de la producción mundial de colorantes estimada en 1 millón de toneladas para 1994 (Stolz, 2001). Durante el proceso textil se generan grandes cantidades de colorantes debido a ineficiencias en los procesos de teñido y estampado, las cantidades perdidas de colorantes varían del 2 % cuando se utilizan colorantes básicos al 50 % cuando se utilizan colorantes reactivos (Mc Mullan et al., 2001), estas cantidades de colorantes finalmente son descargadas a las aguas residuales de las plantas de tratamiento o bien al medio ambiente en forma de dispersiones o soluciones verdaderas. Con relación a los tratamientos que se utilizan para la descontaminación de los efluentes textiles, se utilizan métodos físicos y/o químicos para decolorar las aguas residuales, pero su uso se ve restringido debido a que varios de ellos tienen altos costos de tratamiento, debido al empleo de materiales de importación y a la generación de productos secundarios producidos que causan un aumento de la toxicidad de los efluentes, que impactan de manera negativa al medio ambiente. Los procesos biológicos son una alternativa de menor costo para tratar eficientemente estos efluentes. Los procesos convencionales anaerobios y aerobios pueden combinarse acoplando ambientes anaerobios /aerobios secuenciales para remover compuestos químicos orgánicos tóxicos del agua residual ya que en muchos casos es la única forma de eliminar estos compuestos y de esta forma, dar cumplimiento a la normatividad ambiental cada vez más estricta tendiente a la reducción de la contaminación del agua. En este trabajo se implementó un proceso anaerobio/aerobio integrado en un solo biofiltro operado en forma discontinua secuencial para el tratamiento de aguas residuales de la industria textil. Éste que presenta ventajas respecto a los tratamientos convencionales debido al uso de un solo reactor alternando fases de no aireación y aireación para promover ambientes anaerobios y aerobios, lo que ofrece la reducción de espacio, costos y además un intercambio permanente de metabolitos entre los microorganismos aerobios y anaerobios, que favorece el establecimiento de cadenas tróficas. El objetivo de este trabajo fue evaluar el proceso integrado anaerobio/aerobio en el tratamiento de un efluente textil conteniendo colorantes reactivos mediante un biofiltro discontinuo secuenciado integrando ambientes anaerobios/aerobios en un solo tanque.

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MATERIALES Y MÉTODOS Reactor piloto Se utilizó un reactor piloto de acrílico con capacidad de 8 L, empacado con tezontle de 2 cm de diámetro. El sistema utilizó tres bombas peristálticas (Master Flex, Cole-Parmer) para la alimentación, mezclado (durante la fase anaerobia) y descarga del reactor. Un reloj programable (Timer Chrontrol) controló las bombas de agua y del aire. Durante la fase aerobia el aire fue difundido desde el fondo del reactor a través de un difusor poroso, permitiendo que las burbujas de aire pasaran a través del material de empaque. El reactor fue provisto de un sistema de calentamiento con recirculación (Poly Science Model 210) para mantener la temperatura del reactor en un intervalo de 29 ± 1 ºC. Se instalaron electrodos de oxígeno disuelto, pH y de potencial redox (ORP) conectados al reactor para el control del oxígeno disuelto, pH y potencial redox respectivamente. El sistema experimental se muestra en la figura 1. El biofiltro operó como un reactor discontinuo secuenciado, SBB (por sus siglas en Inglés), con la siguiente estrategia de operación: tiempo de llenado, 4 min; tiempo de reacción anaerobio, de 22 a 72 h y tiempo de reacción aerobio, de 10 a 24 h y tiempo de descarga 3 min. El volumen de intercambio fue del 20 al 75 %. La concentración de materia orgánica medida como DQOt varió desde 2 300 hasta 11 200 mg/L. Se adicionó medio mineral nutriente con la siguiente composición: 25.5 mg H2PO4/L, 65.25 mg K2HPO4/L, 100.2 mg Na2HPO4.2H2O/L, 22.5 mg MgSO4.7H2O/L, 32.4 mg CaCl2.2H2O/L y 0.25 mg FeCl3 .6H2O/L.

Figura 1. Biofiltro discontinuo secuenciado (SBB) anaerobio/aerobio utilizado para el tratamiento del efluente industrial textil

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Estrategia de operación El biofiltro fue inoculado con una mezcla de lodos activados provenientes de las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales “La Gachupina” y de aguas residuales industriales “ECCACIV”, ambas localizadas en Jiutepec, Morelos, en relación 70/30 respectivamente, conteniendo 4 200 y 3 700 mg de SSV/L respectivamente. La biomasa se aclimató el tiempo necesario para alcanzar eficiencias de remoción del 70 % de la concentración inicial de DQOt. Durante este período (13 ciclos, 37 días), se adicionaron al biofiltro, medio nutriente, agua residual diluida y ác. acético como cosustrato (1:1 en términos de DQO) para tener una concentración inicial de 500 mg/L ± 6 %. Después de la aclimatación el biofiltro continuo operando usando el mismo criterio que para la aclimatación, esto es permitir el tiempo necesario para la remoción de la DQOt en un 70 % como mínimo en cada fase de reacción, lo que fue aplicado durante los 191 días de operación (59 ciclos) del biofiltro. Con el fin de tratar el agua textil sin dilución, el volumen de intercambio se redujo de 75 a 20 %. También se verificó que durante la fase anaerobia prevalecieran condiciones reductivas con valores mínimos de ORP de -250 mV. Métodos analíticos Los parámetros determinados fueron DQOt, aminas totales, color (Esc. Pt-Co), O.D. (Oxígeno disuelto), pH, Potencial redox (ORP), sulfuros, sólidos suspendidos totales, sólidos suspendidos volátiles y temperatura (APHA,1992). La DQOt aminas totales, color y sulfuros fueron determinados espectrofotométricamente en un espectrofotómetro DR/2500 HACH a longitudes de onda de 600, 440, 455 y 664 nm respectivamente; el O.D. fue determinado por un oxímetro YSY 5100. El pH y el potencial redox fueron analizados en un potenciómetro ORION 720 A. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización del agua residual En el estudio se trataron 10 lotes representativos del agua residual textil. En la tabla I se muestra un resumen de los resultados obtenidos de la caracterización. El agua residual textil presentó la característica de tener un alto contenido de materia orgánica difícil de degradar, la presencia de colorantes y una gran variabilidad que dependió de los procesos de producción de la planta, lo que hizo difícil la aclimatación de la biomasa. Es importante mencionar la variabilidad del agua residual, ya que durante este periodo se estudiaron 10 diferentes lotes con concentraciones de DQOt que fueron desde 2 300 hasta 11 200 mg/L. Para alcanzar la aclimatación de la biomasa al agua residual, fue necesario manejar diluciones del influente e ir aumentando poco a poco la concentración de DQOt en el biofiltro para evitar la desestabilización del sistema. Se inició con una concentración Si en el influente de 702 mg/L de DQOt en promedio y una concentración inicial (S0) de 534 mg/L en el biofiltro; a medida que el biofiltro se adaptaba a la carga orgánica, la concentración fue aumentándose.

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Tabla I. Resultados de la caracterización del agua residual textil cruda No. de Lote

Fecha del muestreo

Concentración DQO del efluente, ( mg/L)

Color del efluente

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10-Ene-05 17-Ene-05 07-Feb-05 19-Feb-05 08-Mar-05 18-Mar-05 13-May-05 27-May-05 14-Jun-05 03-Jul-05

2 300 3 645 2 272 3 022 2 330 3 445 4 297 7 000 9 227 11 227

verde claro morado rosa rojo morado morado rosa morado verde fuerte verde fuerte

Color (Esc. Pt-Co),

Unidades

Temperatura (ºC)

8.8 8.6 7.6 8.7 8.5 8.9 10.7 7.0 9.4 7.0

26 28 30 30 29 27 31 29 29 29

pH

unidades

1 150 1 880 2 650 2 970 3 300 3 670 4 100 4 700 5 220

Aclimatación del reactor En los procesos de biodegradación de compuestos tóxicos la estrategia de arranque del sistema es un factor muy importante, ya que de ésta dependerá el nivel de inducción de los microorganismos al tóxico (Buitrón y Ortiz, 1997). En éste trabajo, se utilizó la estrategia de eficiencias fijas (Melgoza et al., 2000) que consistió en permitir la aclimatación de la biomasa al tóxico y a los cambios de ambientes anaerobios/aerobios, el tiempo necesario para alcanzar eficiencias de remoción mínimas del 70 % de DQOt y aminas totales (biotransformadas de la reducción de los colorantes presentes). El biofiltro se aclimató al agua residual después de 13 ciclos de operación (37 días). La figura 2 muestra la evolución de las eficiencias de remoción de la DQO para cada fase de reacción durante la etapa de aclimatación.

Eficiencia de remoción, %

120 100 80 60 40

Remocion fase anaerobia

20

Remoción fase aerobia

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14

No. de ciclo

Figura 2. Evolución de las eficiencias de remoción durante la aclimatación del biofiltro. La concentración inicial en el reactor fue de 500 ± 36 mg DQO/L Al inicio de la aclimatación la eficiencia de remoción de DQOt en la fase anaerobia fue del 71 % y después aumentó a un 80 % en promedio. En la fase aerobia considerando la DQOt residual de la fase anaerobia, se alcanzaron eficiencias de remoción del 95 % en promedio, lo que sugirió que después de 13 ciclos, en el

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biofitro se establecieron condiciones adecuadas para la formación de un consorcio de bacterias anaerobias y facultativas aerobias para la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual. La mayor remoción de DQO (81%) se realizó durante la fase anaerobia que actuó como un pretratamiento y la fase aerobia removió el 15 % actuando como un tratamiento de pulimento del efluente. Desempeño del biofiltro durante la degradación anaerobia/aerobia El reactor operó durante 154 días (46 ciclos), después de la aclimatación. Durante la etapa anaerobia no se observó producción de gas lo que indicó que el biofiltro se comportó como un reactor acidogénico, por lo que las reacciones bioquímicas que ocurrieron fueron de hidrólisis, acidogénesis y acetogénesis. También se determinaron sulfuros (S=) en concentraciones de 232 a 1 606 mg/L en el efluente, sugiriendo la presencia de bacterias sulfato-reductoras. La alcalinidad total en general se mantuvo en el intervalo de concentración de 300 a 600 mg CaCO3/L, que fue suficiente capacidad amortiguadora para neutralizar la producción de ácidos grasos volátiles durante el proceso, previniendo su acumulación, para evitar la acidificación del biofiltro que pudiera ser causa de inhibición. En la figura 3 se presenta la evolución de la degradación de la materia orgánica y el potencial redox para un ciclo representativo del proceso durante las fases anaerobias y aerobias, en donde se observa que la mayor parte de la materia orgánica fue removida durante la fase anaerobia, en este caso el 87 % y en la fase aerobia se remueve sólo el 13 % de la concentración inicial de DQOt. Fase anaerobia

4800

Fase aerobia

100 Mg/L DQO

3200

0

ORP(mV)

2400

-100

1600

-200

800

-300

0

ORP, mV

DQO, mg/L

4000

200

-400 0

5

10

15

20

Tiempo, h

Figura 3. Cinética de la remoción de materia orgánica y ORP durante el ciclo 47 Eficiencias de remoción La evolución de las concentraciones iniciales de materia orgánica, medidas como DQOt, en el SBB después de las fases anaerobias y aerobias se observa en la figura 4. En el biofiltro se trataron 10 lotes de agua residual. Del primer lote hasta el tercero corresponde al arranque del reactor con concentraciones de DQOt de 2300 a 3 645 mg/L, con diluciones del agua residual 1:5, 2:4 y adición de cosustrato. El tiempo de reacción fue de 56 h (40 h de fase anaerobia y 16 h de fase aerobia). La carga orgánica que trató el biofiltro durante este periodo de operación

6

fue de 0.26 kg DQO/m3-d. Del cuarto al sexto lote las concentraciones de DQOt fueron de 2 330 a 3 445 mg/L, con eficiencias de remoción del 84 % en la fase anaerobia y del 95 % en la fase aerobia. El tiempo de reacción disminuyó a 34 h (24 h anaerobia y 10 h aerobia). La carga orgánica fue de 0.37 kg DQO/m3-d.

DQO total, mg/L

100

8000

80

6000

60

4000

40

2000

20

Eficiencia de remoción, %

120 10000

0

0 0

10

20

30

40

50

60

No. de ciclo

Figura. 4. Evolución de la DQO en el SBB después del tratamiento anaerobio/aerobio. (●) Influente; (■)Efluente (Ο); Eficiencia de remoción

Para el séptimo y octavo lote de agua residual, del ciclo 26 hasta el 46 se eliminó el co-sustrato y el medio mineral de la alimentación y para realizar las diluciones se utilizó agua del grifo. Únicamente se utilizó el agua residual como fuente de carbono y energía. Las concentraciones de DQOt fueron de 4 297 a 7000 mg/L con dilución 2:4 y 3:3. La eficiencia de remoción en la fase aerobia fue del 93 %; el tiempo de reacción aumentó a 46 h (22 h fase anaerobia y 24 h fase aerobia) debido al incremento en la concentración inicial, ya que al dejar un residual mayor de DQOt para ser removido en la fase aerobia, fue necesario aumentar el tiempo de reacción de 10 a 24 h. La fase anaerobia continúo con eficiencias de remoción del 85 %. La carga orgánica que trató el biofiltro durante estos ciclos fue de 1.26 kg DQO/ m3-d. Los lotes noveno y décimo del agua residual, presentaron concentraciones de 9 227 y 11 227 mg/L de DQOt. A partir del ciclo 50, se aplicó el agua residual directamente sin dilución. Las concentraciones de DQO (Si) en el tanque de alimentación estuvieron entre 515 y 9 441 mg/L. Las eficiencias de remoción en la fase anaerobia fueron del 95 % y en la fase aerobia del 96 %, tratando cargas orgánicas de 1.82 y 2.10 kg DQOt /m3–d. Estos resultados demuestran que el biofiltro es capaz de tratar aguas residuales textiles con una gran variabilidad de carga y concentraciones elevadas de DQOt. En la tabla II se muestra un resumen de la operación del biofiltro anaerobio/aerobio. El color del efluente fue removido eficientemente en un 93 % en promedio durante el proceso anaerobio/aerobio. En la fase anaerobia, se presentaron condiciones de reducción que favorecieron el rompimiento del enlace azo de los colorantes mediante enzimas azorreductasas de las bacterias anaerobias (Wuhrmann et al.,

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1980). En la figura 5 se muestra el desempeño del biofiltro para la remoción del color en el agua residual. 110 100 90 80 70 60 50 0

2000 4000 6000 8000 1000 1200 0 0 DQOt (Si), mg/L

Figura 5. Eficiencia de remoción del color del efluente textil en función de la concentración de DQOt tratada Tabla II. Resumen de operación del BSBR anaerobio /aerobio en el tratamiento de un efluente textil No. de lote

Color Concentración Días de Ciclos del DQO (mg/l) operación efluente

Tiempo Si DQOt de (mg/L) reacción anaerobio / aerobio, (h)

S0 DQOt (mg/L)

1

Verde claro

2

Morado

3

Carga Orgánica (kg 3 DQO/m d)

(%) Remoción Fase anaerobia

(%) Remoción Fase aerobia

(%) Remoción global

2 300

1-7

1-2

48 / 32

702

515

0.20

78

93

98

3 645

8-22

3-8

47 / 30

686

546

0.23

80

72

94

Rosa

2 272

23-37

9-13

39 / 16

900

698

0.35

89

78

99

4

Rojo

3 022

38-54

14-17

47 / 20

515

404

0.16

88

98

99

5

Morado

2 330

55-64

18-20

49 / 40

638

520

0.24

88

98

99

6

Morado

3 445

65-90

21-25

24 / 10

916

753

0.71

77

90

97

7

Rosa

4 297

91-122

26-38

22 / 24

1 816

1 549

1.35

87

93

98

8

Morado

7 000

123-136

39-46

24 / 20

2 338

1 580

1.16

83

92

98

9

Verde Fuerte Verde Fuerte

9 227

137-157

47-52

51 / 15

3 691

3 152

1.82

95

94

99

11 227

158-191

53-59

72 / 22

9 441

7 993

2.1

95

97

99

10

Si = Concentración del inicial del influente So= Concentración inicial en el reactor (considerando el volumen de intercambio) %= Remoción en la etapa anaerobia (S0 -San ) / San X100 , donde San = Concentración de DQOt después de la etapa anaerobia %= Remoción en la etapa aerobia (Sae-Sae) / Sae X100 donde Sae = Concentración de DQOt después de la etapa aerobia %= Remoción global ( S0 - Sae ) / S0 X 100

8

Carga orgánica removida, kg DQO/m

Carga Orgánica Las cargas orgánicas aplicadas y removidas por el biofiltro se muestran en la figura 6. Se observa el aumento de la carga orgánica removida a medida que aumentó la carga orgánica aplicada. Las máximas cargas orgánicas aplicadas asociadas con altas eficiencias de remoción variaron del orden de 0.16 a 2.1 kg DQO/ m3-d. 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

Carga organica aplicada, kg DQO/m3-d

Figura 6. Promedio de carga orgánica aplicada y removida en el SBB Con relación a otros tipos de reactores que han tratado aguas residuales de la industria textil. Bell (2000), trabajo con un reactor bafleado anaerobio para tratar un efluente de agua residual textil con concentración de DQO de 1000 mg/L y una carga orgánica de 1.2 kg DQO/m3-d reportando remociones de DQO del 70%. Huren et al.,(1994), trabajaron en un UASB anaerobio agua residual textil tratando un carga de 0.002 kg DQO/ m3-d con eficiencias de remoción de DQO del 60%. Quezada et al.,(2000) estudio un SBR aerobio para tratar un efluente de la industria textil con carga máxima de 1.4 kg DQO/m3-d alcanzando remociones de DQO del 82 al 90%. En este trabajo el biofiltro trato cargas de 0.16 – 2.1 kg DQO/m3-d con eficiencias de remoción de DQO del 98 %, con la ventaja de tratar cargas orgánicas más elevadas en reactor único integrando condiciones anaerobias y aerobias, con el fin de que durante la fase aerobia se eliminen los compuestos biotransformados durante la fase anaerobia, que tienen la característica de ser más tóxicos que los compuestos originales y de ésta forma disminuir la toxicidad inherente a los efluentes anaerobios. CONCLUSIONES Se realizó eficientemente el tratamiento de un efluente textil en un biofiltro discontinuo secuenciado combinando condiciones anaerobias y aerobias en un solo tanque. La aclimatación de la biomasa a los cambios de ambiente anaerobios/aerobios que prevalecieron en el SBB y al agua residual textil, se logró después de 13 ciclos de operación en 37 días. La remoción de la materia orgánica se realizó principalmente en la fase anaerobia con eficiencias de remoción del

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86%. En la fase aerobia las eficiencias de remoción fueron en promedio del 91%. La fase anaerobia funcionó como un pretratamiento y la fase aerobia como un tratamiento de pulimento del efluente. La remoción global en el proceso anaerobio/aerobio fue del 98%. El biofiltro trató eficientemente cargas orgánicas desde 0.16 hasta 2.1 Kg DQO/m3–d, logrando tratar agua residual cruda con concentraciones elevadas de DQOt del orden de 9 441 mg/L de forma directa, esto es sin dilución. REFERENCIAS APHA. (1992). Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. 18th ed. American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington D.C. U.S.A Bell J., Plumb J.J., Buckley C.A., Stuckey D.C. Treatment and decolorization of dyes in an anaerobic baffled reactor. Journal Environ Eng Div ASCE 2000; 126:1026-32. Buitrón G. y Ortiz J. (1997). Biodegradación de compuestos fenólicos por medio de un biofiltro discontinuo secuencial. Memorias XI Congreso Nacional de la Federación Mexicana de Ingeniería Sanitaria y Ciencias Ambientales, Zacatecas, México. 1: 194-20 Huren A., Yi, Q., and Xiasheng, G. (1994). " A way for water pollution control in dye manufacturing industry". Proc., 49 th Purdue Industrial Waste Conference, Lewis, Chelsea, Mich. McMullan G., Meehan C., Conneely A., Kirby N., Robinson T., Nigam P., Banat I. M., Marchant R. and Smyth W.F. (2001). Microbial decolourisation and degradation of textile dyes. Applied Microbiology and Biotechnology, 56, 8187. Melgoza R.M., Chew M., and Buitrón G. (2000). Start-Up a sequential anaerobicaerobic batch reactor for the mineralization of p-nitrophenol. Water Science and technology, 42 (5-6), 289-292. Stolz A. Basic and applied aspects in the microbial degradation of azo dyes. Applied Microbiology Biotechnology, 56, 69-80. 2001. Quezada M., Linares I. y Buitrón G. (2000). Use of a sequencing batch biofilter for degradation of azo dyes (acids and basics). Water Science and Technology, 42 (5/6), 329 – 336. Wuhrmann K., Mechsner K. and Kappeler T. (1980). Investigation on ratedetermining factors in the microbial reduction of azo dyes. European Journal Applied Microbiology Biotechnology, 9, 325 - 338

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