R. Lebrero¹, B. Kraakman^2,3, J.M. Estrada¹ y R. Muñoz¹

 ¹ Universidad de Valladolid, Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente. Raúl Muñoz: mutora@iq.uva.es

 ² CH2M HILL Australia

 ³ Delft University of Technology, Department of Biotechnology

Palabras clave : Análisis de robustez, tratamiento de olores, biofiltro, sistema de lodos activos, biofiltro percolador, adsorción en carbón activo, lavador químico

Resumen

   Un factor importante en la selección del sistema más adecuado para el tratamiento de olores es la capacidad para sobreponerse a fluctuaciones en el proceso y fallos operacionales. Sin embargo, existen pocos trabajos orientados al estudio de la robustez de las biotecnologías aplicadas a la depuración de corrientes odoríferas. En el presente estudio se realizaron ensayos de robustez a escala de laboratorio con diversos biorreactores para el tratamiento de corrientes sintéticas mezcla de compuestos odoríferos a concentraciones traza (mg m^-3 - µg m^-3). Los resultados demuestran la capacidad de recuperación de las biotecnologías tras fallos operacionales en breves periodos de tiempo. Además se desarrolló un estudio semi-cuantitativo de comparación de la robustez de sistemas físico-químicos y biológicos en condiciones de operación reales. Este estudio confirma los resultados anteriores y sostiene las biotecnologías como la solución óptima en el tratamiento de olores.

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1. Introducción

   Las emisiones de olores procedentes de plantas de tratamiento de aguas residuales (EDARs) se han convertido en las últimas décadas en una de las principales causas de queja pública. El deterioro de la imagen de la empresa y la cada vez más estricta legislación han promovido el desarrollo y la implantación de sistemas de tratamiento para reducir el impacto causado por estas emisiones. Tradicionalmente, los sistemas físico-químicos para el tratamiento de olores (lavadores químicos, torres de adsorción) han sido más utilizados debido a las elevadas eficacias de eliminación y a su sencillez de operación y mantenimiento. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que las tecnologías biológicas (biofiltros, biofiltros percoladores, biolavadores) presentan un rendimiento más sostenible y menores costes de operación, al tiempo que ofrecen similares eficacias de tratamiento (Estrada et al. 2011).

   La selección del método de tratamiento óptimo también debe contemplar la robustez del sistema, puesto que las fluctuaciones en el flujo y concentración de las emisiones gaseosas, así como las paradas operacionales (debidas a fallos del sistema o para mantenimiento) son comunes a escala industrial. Los detractores de las biotecnologías señalan su limitada robustez como una de las principales desventajas frente a los procesos físico-químicos. Estudios recientes realizados a escala de laboratorio con contaminantes individuales (H₂S, tolueno, etc.) y a concentraciones elevadas (en el orden de g m^-3, Barona et al. 2004; Vergara-Fernández et al. 2007) han demostrado que los sistemas biológicos son capaces de recuperarse de fluctuaciones en el proceso y/o fallos en el sistema en cortos periodos de tiempo. Sin embargo, estos resultados pueden no ser aplicables al tratamiento de corrientes odoríferas (complejas mezclas de compuestos a concentraciones traza, µg m^-3 - mg m^-3). En los estudios aquí realizados se compara la robustez de un biofiltro (BF), un sistema de lodos activos (AS), un biofiltro percolador (BTF) y un biofiltro percolador de dos fases (2F-BTF) para el tratamiento de corrientes mezcla a concentraciones de mg m^-3. Además, se presenta un estudio semi-cuantitativo de un sistema de adsorción con carbón activo (AC), un lavador químico (SC), un biofiltro, un biofiltro percolador y un sistema híbrido operados a escala real.

2. Materiales y métodos

2.1 Método de análisis de la robustez

   Aunque no existe hoy en día ninguna metodología estándar para el análisis cuantitativo de la robustez, uno de los métodos más empleados es el desarrollado por Kraakman (2003), que cuantifica la robustez a partir del riesgo de un efecto negativo al tener lugar un cambio o fallo en el sistema. El riesgo se define como el porcentaje de pérdida de capacidad de eliminación de la tecnología debido a la alteración del sistema (expresado en kg d^-1) y se estima sumando el efecto de todas las perturbaciones (E) multiplicadas por su probabilidad de ocurrencia (p): R = Σ(E×p).

2.2 Ensayos a escala de laboratorio

   En el primer ensayo se operaron un AS y un BF empacado con una mezcla de compost y perlita (75/25 %v/v) con un tiempo de residencia (TR) del gas de 50 s. Ambos reactores se alimentaron con una corriente de H₂S, butanona y tolueno a concentraciones de 44.8±1.3 mg m^-3, 6.78±0.25 mg m ^-3 y 0.56±0.02 mg m^-3, respectivamente (Lebrero et al. 2010). Los sistemas se sometieron a cambios de temperatura (entre 8 y 30ºC), fluctuaciones de las concentraciones de entrada (incrementos de 3× y 6× durante 3 horas), paradas del proceso de 5 días, fallos en el sistema de riego del biofiltro y fallos en el sistema de control de pH del reactor de lodos activos.

   En el segundo ensayo se comparó la robustez de un BTF y un 2F-BTF (empleando aceite de silicona como fase no acuosa), para el tratamiento de butanona, tolueno, ɑ-pineno y hexano a concentraciones de 2.72±0.33 mg m⁻³, 1.32±0.10 mg m⁻³, 1.31±0.14 mg m⁻³ y 1.27±0.11 mg m⁻³, respectivamente. Los reactores se empacaron con anillos plásticos y se operaron a un TR=6 s. En este caso, se estudió la respuesta de los sistemas frente a incrementos de la concentración de entrada (3× y 6× mantenidos durante 2 horas), paradas de alimentación de 1 día y fallos en la recirculación del líquido de 1 día (Lebrero et al. 2012).

2.3 Análisis semi-cuantitativo a escala industrial

   Para este estudio se seleccionó una corriente modelo de aire contaminado de 50000 m³/h que contiene 40 contaminantes en concentraciones similares a las encontradas en emisiones de EDARs (Estrada et al. 2011). Las tecnologías evaluadas se encuentran entre las más aplicadas para el tratamiento de olores: un BF, un BTF, un SC, un AC y una tecnología híbrida constituida por un BTF y una columna de AC. Las principales características de los sistemas se muestran en Estrada et al. (2011). En este estudio tanto la probabilidad de ocurrencia como el efecto son semi-cuantificados de acuerdo a una escala del 1 al 5 (probabilidad (p): 1-muy improbable o imposible, 2-bajo, 3-ocasional, 4-probable, 5-frecuente; efecto (E): 1-menor, 2-marginal, 3-moderado, 4-crítico, 5-catastrófico). Los valores son asignados en base a experiencia a escala real y estudios previos.

3. Resultados y discusión

   El primer ensayo de robustez realizado demostró que las variaciones de temperatura no generan un deterioro importante ni en el BF ni en el AS, ya que incluso a 8ºC ambos reactores mantuvieron altas capacidades de degradación. Un aumento de la temperatura a 30ºC redujo levemente la eliminación de tolueno, probablemente al reducirse la transferencia de masa de este compuesto moderadamente hidrofóbico. Las fluctuaciones en la corriente de entrada originaron importantes pérdidas de eliminación en el BF (riesgo total de 19%), mientras que el AS se mostró mucho más robusto ante estas variaciones (riesgo total de 0.053%). Los elevados coeficientes de transferencia medidos para este sistema (325±32 h^-1, Lebrero et al. 2010) y la eficaz acumulación de los contaminantes en el cultivo en suspensión pueden explicar este comportamiento. Ambos reactores respondieron adecuadamente a paradas de 3 días en la alimentación, así como a paradas del proceso de 5 días (Tabla 1).

   Tras la interrupción en el riego del BF, el sistema mantuvo eliminaciones estables durante 4 días, reduciéndose las eficacias de eliminación un 20% para la butanona y un 10% para el tolueno. La falta de agua generó una disminución en la actividad biológica, además de empeorar la transferencia de los compuestos más solubles (butanona). El restablecimiento del riego permitió la recuperación de las eficacias de eliminación en menos de 8 horas. Finalmente, la eliminación de tolueno en el AS se mostró muy sensible a variaciones en el pH (eliminaciones del 40% a un pH<4). La restauración del pH anterior no permitió recuperar completamente las eficacias previas, lo que indica un daño permanente en la microbiología del sistema.

Tabla 1. Riesgo estimado para un BF y un AS tratando H₂S, butanona y tolueno (Lebrero et al. 2010).

   La robustez del sistema bifásico frente a incrementos de la concentración de entrada y periodos sin alimentación fue superior a la del BTF (el riesgo asociado a un incremento de la concentración de 6x fue de 4.57% en el BTF frente a 2.25% en el 2F-BTF, Tabla 2). La presencia de una fase no acuosa evita que los microorganismos sean expuestos a altas concentraciones de compuestos orgánicos volátiles (COVs) que podrían llegar a ser tóxicas, mejorando al mismo tiempo la transferencia de masa de los más hidrofóbicos. Durante el periodo sin alimentación, la disponibilidad de COVs en el aceite de silicona permitió mantener una mayor actividad metabólica de las comunidades microbiológicas en el sistema bifásico, lo que se tradujo en un menor riesgo asociado a este fallo operacional. La baja probabilidad de esta perturbación contribuye al reducido porcentaje de riesgo. Finalmente, se observó que una parada en la recirculación del liquido conlleva un riesgo muy elevado en el sistema de dos fases, seguramente por una disminución en la transferencia de masa al dejar de recircular la fase no acuosa (aproximadamente el 50% del aceite de silicona se encontraba en la recirculación, y el 50% restante embebido en el empaque).

Tabla 2. Valores de riesgo estimados para un BTF y un BTF bifásico (Lebrero et al. 2012).

   Estos ensayos nos proporcionan información valiosa sobre el comportamiento de los sistemas biológicos ante fallos operacionales e indican cuáles son los que más afectan al tratamiento de la corriente odorífera. Sin embargo, la medición de la concentración de COVs a escala real es compleja y costosa, por lo que el seguimiento detallado de la misma durante una fluctuación no siempre es viable. Por ello, un estudio semi-cuantitativo de la robustez puede resultar útil cuando el análisis a escala laboratorio no es posible. Los resultados de este estudio muestran que el AC y la tecnología híbrida son los sistemas más robustos, seguidos del BTF (Tabla 3). Si además se incluye el análisis económico, el BTF proporciona altas eficacias a bajos costes de operación y robustez moderada, mientras que la tecnología híbrida ofrece una robustez mucho mayor pero con costes de operación ligeramente superiores.

Tabla 3. Análisis de robustez semi-cuantitativo de 5 sistemas de tratamiento de olores (Estrada et al. 2012).

   Finalmente, los estudios de robustez facilitan la estimación de las necesidades de control, monitorización, aprovisionamiento de equipamiento, planificación de mantenimiento preventivo, etc. En el caso particular de sistemas de tratamiento de olores, la determinación del riesgo es crítica por dos razones: en primer lugar, porque estos sistemas de eliminación de olores no son necesarios para el correcto funcionamiento de la planta, por lo que su mantenimiento y/o reparación no son a menudo prioritarios para los operarios de las EDARs. Por otro lado, un fallo en la depuración de las corrientes odoríferas suele afectar en primer lugar a la población cercana al punto de emisión.

4. Conclusiones

   Los estudios realizados demuestran la estabilidad dinámica y la capacidad de recuperación de los sistemas biológicos frente a fluctuaciones de proceso y fallos operacionales en breves periodos de tiempo. Entre las perturbaciones con mayor impacto en la capacidad de depuración de las biotecnologías cabe destacar las fluctuaciones en las concentraciones de entrada, a lo que contribuye la frecuencia con la que estas fluctuaciones tienen lugar (1/día). La resiliencia de los sistemas ante paradas en la alimentación o del proceso fue muy elevada, y únicamente fallos importantes como paradas en la recirculación de los BTF, en el riego del BF o cambios bruscos en el pH del AS pueden desestabilizar el sistema. El análisis semi-cuantitativo basado en datos operacionales a escala real corrobora los resultados obtenidos en los ensayos a escala laboratorio, posicionando al BTF a la cabeza de las biotecnologías. La conexión en serie de un BTF y un sistema de adsorción mejoraría notablemente la robustez del sistema, aunque con costes de operación más elevados.

Agradecimientos

   Esta investigación estuvo financiada por el Ministerio Español de Economía y Competitividad (RYC-2007-01667, BES-2010-030994, CTQ2009-07601, CSD 2007-00055) y por la Junta de Castilla y León (VA004A11-2).

Referencias

Barona, A., Elías, A., Arias, R., Cano, I. y González, R. 2004. Biofilter response to gradual and sudden variations in operating conditions. Biochem Eng J 22(1), 25-31.

Estrada, J., Kraakman, B., Muñoz, R. y Lebrero, R. 2011. A comparative analysis of odour treatment technologies in wastewater treatment plants. Environ Sci Technol 45, 1100-1106.

Estrada, J., Kraakman, N.J.R., Lebrero, R. y Muñoz, R. 2012. A sensitivity analysis of process design parameters, commodity prices and robustness on the economics of odour abatement technologies. Biotechnol Adv, In Press

Kraakman, N.J.R. 2003. Robustness of a full-scale biological system treating industrial CS₂ emissions. Environ Prog 22(2), 79-85.

Lebrero, R., Rodríguez, E., Martin, M., García-Encina, P.A. y Muñoz, R. 2010. H₂S and VOCs abatement robustness in biofilters anda ir difusión bioreactors: A comparative study. Water Res 44 (13), 3905-3914.

Lebrero, R., Rodríguez, E., Pérez, R., García-Encina, P.A. y Muñoz, R. 2012. Odour abatement in one and two-phase biotrickling filters under steady and transient conditions. Appl Microbiol Biot. In Press

Vergara-Fernández, A., Molina, L.L., Alarcón Pulido, N. y Aroca, G. 2007. Effects of gas flow rate, inlet concentration and temperature on the biofiltration of toluene vapors. J Environ Manage 84, 115-122.

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