Bioprocesos para la eliminación de contaminantes volátiles: estado actual de conocimientos y futuras tendencias

Expirado

Conferencia Olores 2012 (130)

Existen varias alternativas para la eliminación de olores y otros compuestos volátiles de efluentes gaseosos. Por un lado, se pueden utilizar procesos no-biológicos (principalmente absorción, adsorción, y procesos de oxidación) y, por otra parte, se pueden utilizar bioprocesos.

   C. Kennes, H.N. Abubackar y M.C. Veiga

   Universidad de La Coruña (UDC), Campus da Zapateira – Ingeniería Química, Rua da Fraga 10, E – 15008 – La Coruña, España. Tel.: 34-981-167000; Fax.: 34-981-167065; Kennes@udc.es

   Palabras clave: Biorreactores, biofiltro, biolavador, filtro percolador, olores, biorreactor con difusión de aire.

 

Resumen

   Existen varias alternativas para la eliminación de olores y otros compuestos volátiles de efluentes gaseosos. Por un lado, se pueden utilizar procesos no-biológicos (principalmente absorción, adsorción, y procesos de oxidación) y, por otra parte, se pueden utilizar bioprocesos.

   Este estudio esta enfocado a los procesos biológicos. Presentamos las características más destacadas de las principales tecnologías disponibles en el mercado para el tratamiento de olores y la eliminación de contaminantes volátiles de efluentes gaseosos.

    


    

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1. Introducción

   El biofiltro convencional es uno de los biorreactores más conocidos y más utilizados para resolver problemas de olores y de emisión de compuestos volátiles a la atmósfera. Aparte del biofiltro convencional existen otros tipos de reactores como, por ejemplo, el biofiltro percolador, el biolavador, o los biorreactores con biomasa en suspensión basados en la difusión del gas (aire) contaminado a través de una fase acuosa. Tanto el biofiltro convencional (Kennes y Veiga, 2001) como el biorreactor con difusión de gas (Bielefeldt, 2001) fueron desarrollados hace ya varias décadas, aunque este último es, tal vez, algo menos conocido. El biofiltro percolador y el biolavador fueron desarrollados algo más recientemente (Figura 1).

   Cada uno de estos sistemas tiene sus propias características y ventajas/inconvenientes. La tecnología más adecuada dependerá, en gran medida, del tipo de efluente gaseoso a tratar. En algunos casos, comparado con otras tecnologías, los bioprocesos son más eficientes y más económicos para concentraciones bajas en contaminantes (< 4-5 g contaminantes/m3 gas) y para caudales de gas que pueden ir desde valores muy bajos hasta aproximadamente 500.000 m3/h. Aunque los bioprocesos se pueden utilizar para concentraciones en contaminantes volátiles de hasta 4-5 g/m3, en los casos de tratamiento de olores las concentraciones en compuestos odoríferos en los efluentes no suelen alcanzar concentraciones tan elevadas. El grupo de investigación de “Enxeñaría Ambiental” de la UDC tiene varios años de experiencia con estos sistemas. Presentaremos información relacionada con el estado actual de conocimientos en lo que se refiere a estas distintas tecnologías, así como algunas tendencias futuras.

. Biorreactores utilizados para el tratamiento de olores y efluentes gaseosos (adaptado de Kennes y Veiga, 2010).

Figura 1. Biorreactores utilizados para el tratamiento de olores y efluentes gaseosos (adaptado de Kennes y Veiga, 2010).

2. Biorreactores

   A continuación se hace una breve descripción de los principales biorreactores utilizados en la actualidad a escala real, para eliminar oloroses y otros compuestos volátiles.

2.1 Biofiltro convencional

   Las dos principales partes de un biofiltro convencional son el reactor, que contiene un relleno – o lecho filtrante –, y el sistema de humidificación. Se pueden utilizar distintos tipos de rellenos como, por ejemplo, la turba, suelo, compost, corteza, u otros materiales naturales. Estos últimos se pueden mezclar con materiales inertes como, por ejemplo, la perlita, para frenar y reducir la caída de presión en el reactor. El reactor puede ser un sistema abierto (Figura 2) o cerrado. El sistema abierto es el más sencillo y también el más antiguo. A diferencia del biofiltro cerrado, en el biofiltro abierto es más difícil controlar algunos parámetros como, por ejemplo, el contenido en agua del relleno, dado que se puede ver afectado por las condiciones meteorológicas (lluvia, sol). Tanto en reactores abiertos como en reactores cerrados, el sistema de humidificación se utiliza como pre-tratamiento para aumentar la humedad relativa del gas a tratar, dado que las poblaciones microbianas en estos reactores necesitan una determinada cantidad de agua para alcanzar una actividad metabólica óptima. Existe también la posibilidad de instalar aspersores en la parte superior del reactor para añadir agua al relleno. No obstante, en los biofiltros convencionales no hay ninguna fase acuosa móvil. Por eso estos sistemas son particularmente útiles para compuestos hidrófobos y poco solubles en agua. En algunos casos será necesario introducir una etapa de eliminación de partículas como pre-tratamiento.

Esquema de un biofiltro convencional abierto (Kennes y Veiga, 2001).

Figura 2. Esquema de un biofiltro convencional abierto (Kennes y Veiga, 2001).

2.2 Biorreactor con difusión de gas contaminado

   Esta tecnología suele estar basada en el uso de reactores de lodos activos, similares a los que se utilizan en tratamiento de aguas residuales. Existen algunas publicaciones que ofrecen una descripción relativamente completa de esta tecnología (Bielefeldt, 2001). Es una tecnología bastante madura y no hubo muchos cambios ni se hizo mucha investigación con estos sistemas a lo largo de la última década. Han sido utilizados en numerosas plantas de tratamiento de aguas residuales. Permiten tratar al mismo tiempo un efluente líquido y un efluente gaseoso. Si el efluente gaseoso es aire contaminado, este último se puede alimentar al sistema de aireación en el reactor de lodos activos y sirve como fuente de aceptor de electrones. Funcionan también para tratar aire contaminado sólo en ausencia de agua residual, alimentado una fase acuosa, en general con algunos nutrientes. Aunque el caso más típico esta basado en el uso de reactores de lodos activos, se pueden utilizar otras configuraciones de reactores como, por ejemplo, el reactor “airlift” (Bielefeldt, 2001). En general, estos sistemas no suelen presentar demasiados problemas, funcionando de forma estable durante varios años. En realidad, en muchos casos el principal problema se suele dar en presencia de H2S, debido al carácter corrosivo de este compuesto. Como la biodegradación tiene lugar en fase acuosa, con biomasa en suspensión, es una tecnología que funciona mejor con compuestos hidrófilos.

2.3 Biofiltro percolador

   Los biofiltros percoladores (BFP) se parecen bastante a los biofiltros cerrados o, incluso, a las torres de absorción. La principal diferencia con el biofiltro convencional es que en un biofiltro percolador se alimenta una fase acuosa en continuo al reactor. Es decir que, en este caso, hay una fase líquida móvil que circula por el reactor. Por lo tanto, esta tecnología será menos eficiente para la eliminación de compuestos hidrófobos que los biofiltros convencionales. Los rellenos que se utilizan en estos BFP son rellenos inertes y/o sintéticos como, por ejemplo, la espuma de poliuretano, tierra volcánica o, incluso, carbón activo que permite tamponar sobrecargas puntuales. En algunos casos, se utilizan soportes estructurados (monolito, etc.) (Jin et al., 2006). En los BFP no hace falta ningún sistema de pre-humidificación del gas a tratar, dado la presencia de una fase acuosa que circula en continuo por el reactor. La fase líquida permite un mejor control y regulación de parámetros como el pH, más difícil de optimizar en biofiltros convencionales. La regulación del pH puede ser útil e interesante en caso de contaminantes como el H2S, cuya oxidación ocasiona una acidificación importante del medio (ecuación 1) (Jin et al., 2005).

   0.444 H2S + 0.4 HS- + 1.2555 O2 + 0.0865 H2O + 0.346 CO2 + 0.0865 HCO3- + 0.0865 NH4+à

   à 0.844 SO42- + 1.288 H+ + 0.0865 C5H7NO2 (Ecuación 1)

2.4 Biolavador

   En un biolavador el tratamiento del efluente gaseoso tiene lugar en dos etapas. En una primera etapa, el gas contaminado pasa por una torre de absorción, eliminando olores y demás emisiones de compuestos orgánicos o inorgánicos volátiles. Estos contaminantes pasan de la fase gas a la fase líquida (en general agua o agua + reactivos), por absorción, con la aparición de una fase acuosa contaminada. El agua residual que sale de la torre de absorción se trata, en una segunda etapa, en un biorreactor. Este último suele ser un reactor de lodos activos. El efluente tratado en el reactor de lodos activos se puede recircular y reutilizar para la absorción. Al igual que en el caso del BFP, en el biolavado la biodegradación tiene lugar en fase acuosa. Es por lo tanto posible regular y optimizar parámetros como el pH o la fuerza iónica del medio. Sin embargo, el rango de aplicación de esta tecnología se limita a la eliminación de compuestos relativamente hidrófilos y solubles en fase acuosa.

3. Biodegradación de contaminantes volátiles y transformación en productos útiles

   Aunque en la actualidad se utiliza poco (pero en algunos casos ya se utiliza) a escala real, existe la posibilidad de recuperar productos útiles mediante la biodegradación de contaminantes volátiles. El sulfuro de hidrógeno es un caso bastante conocido, dado que su degradación en condiciones aerobias conduce a la formación de azufre elemental y, si el oxígeno no es limitante, el azufre elemental se transforma en sulfato. El azufre elemental se puede utilizar o vender, por ejemplo, para la producción de algunos compuestos químicos o fertilizantes (Janssen et al., 2007). El sulfato también se puede reutilizar (Jin et al., 2005). Otros ejemplos se encuentran en algunos de nuestros estudios recientes, enfocados a la conversión de contaminantes volátiles, como el monóxido de carbono, en combustibles (Abubackar et al., 2011). La utilización del dióxido de carbono por algas, con producción de biodiesel es otro ejemplo conocido.

4. Conclusiones

   Los bioprocesos representan una alternativa interesante a los procesos no-biológicos, para un rango de caudales bastante amplio y para concentraciones en contaminantes de hasta varios g/m3. Por lo tanto, son muy útiles para resolver problemas de olores, por ejemplo, en plantas de tratamiento de aguas residuales, tratamiento de residuos sólidos, compostaje, etc. Existen distintas configuraciones de biorreactores, permitiendo escoger el sistema más adecuado de acuerdo con las características del efluente a tratar.

5. Agradecimientos

   Nuestros estudios sobre tratamiento de efluentes gaseosos en biorreactores estan financiados por el Ministerio de Ciencia e Innovación (proyecto CTM2010-15796).

6. Referencias

   Abubackar, H.N., Veiga, M.C. y Kennes, C. 2011. Biological conversion of carbon monoxide-rich syngas or waste gases to bioethanol. Biofuels, Bioprod. Bioref. 5, 93-114.

   Bielefeldt, A. 2001. Chapter 9: Activated sludge and suspended-growth bioreactors. En: Kennes C. y Veiga M.C. (Eds), Bioreactors for Waste Gas Treatment. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, pp. 215-254. ISBN 978-07-9237-190-8.

   Janssen, A.J.H., van Leerdam, R., van den Bosch P., van Zessen E., van Heeringen, G. y Buisman C. 2007. Development of a family of large-scale biotechnological processes to desulphurise industrial gasses. En: Kennes C. y Veiga M.C. (Eds), Proceedings of the 2007-International Conference on Biotechniques for Air Pollution Control (Biotechniques-2007), Publicacións da Universidade da Coruña, España, pp. 167-183. ISBN 978-84-9749-258-4.

   Jin, Y., Veiga, M.C. y Kennes, C. 2005. Effects of pH, CO2 and flow pattern on the autotrophic degradation of hydrogen sulfide in a biotriockling filter. Biotechnol. Bioengin. 92, 462-471.

   Jin, Y., Veiga, M.C. y Kennes, C. 2006. Development of a novel monolith bioreactor for the treatment of VOC-polluted air. Environ. Technol. 27, 1271-1277.

   Kennes, C. y Veiga, M.C. 2001. Chapter 3: Conventional biofilters. En: Kennes C. y Veiga M.C. (Eds), Bioreactors for Waste Gas Treatment. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, pp. 47-98. ISBN 978-07-9237-190-8.

   Kennes, C. y Veiga, M.C. 2010. Technologies for the abatement of odours and volatile organic and inorganic compounds. Chemic. Engin. Transac. 23, 1-6.

    

    

    

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