Formación y emisión de olores: caracterización y evaluación de impacto

sesion02 pagans03   El presente estudio describe el origen y los compuestos mayoritariamente responsables de los olores en tres sectores de actividad. Expone los principales métodos para abordar un estudio de caracterización de emisiones y evaluación de impacto, aconsejando la olfatometría dinámica combinándola con análisis químicos de alta sensibilidad, junto con los modelos de dispersión o la medida directa de la exposición con el método de la malla (VDI3940).

E. Pagans1, W. Murguia, R. Arias, A. van Harreveld

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Editor académico: Carlos N Díaz.

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Cita: E. Pagans, W. Murguia, R. Arias, A. van Harreveld, 2014, Formación y emisión de olores: caracterización y evaluación de impacto, Seminario Internacional de Olores en el Medio Ambiente, Santiago de Chile, www.olores.org

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Palabras claves: EN13725, GC-TOFMS, VDI/DIN3940, Odourmap.

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Resumen

  El presente estudio describe el origen y los compuestos mayoritariamente responsables de los olores en tres sectores de actividad. Expone los principales métodos para abordar un estudio de caracterización de emisiones y evaluación de impacto, aconsejando la olfatometría dinámica combinándola con análisis químicos de alta sensibilidad, junto con los modelos de dispersión o la medida directa de la exposición con el método de la malla (VDI3940). También plantea la participación ciudadana como una alternativa viable para la gestión de impactos por olores.

1. Formación de olores y compuestos responsables

   Gran parte de las emisiones con olores desagradables se generan como consecuencia de procesos microbiológicos, y especialmente en condiciones de anaerobiosis. Un ejemplo común es la degradación de las proteínas y de sustancias orgánicas en situaciones de ausencia de oxígeno. Este tipo de procesos acaban generando compuestos orgánicos azufrados, nitrogenados, ácidos orgánicos, H2S, etc., todos ellos caracterizados por umbrales de detección de olor (la concentración equivalente a 1 ouE/m3) muy bajos, y por lo tanto extremadamente olorosos. A continuación se describe el origen y los compuestos mayoritariamente responsables de los olores en tres sectores de actividad con potencial incidencia a nivel de impacto por olores en el entorno.

1.1. Actividades ganaderas

   La mayoría de las emisiones en ganadería intensiva se generan como consecuencia de procesos naturales, como el metabolismo del animal y la degradación de los purines o estiércoles. En términos generales, las principales etapas que actúan como generadoras de olor en una explotación son las actividades desarrolladas en los alojamientos, el almacenamiento y la gestión de deyecciones ganaderas. Los principales compuestos responsables de estos olores son el H2S, el NH3 y los COVs, aunque también forman parte de las emisiones compuestos como el CO2, N2O, CH 4, NOx, y el polvo.

   Las emisiones son muy variables y dependen de numerosos factores, especialmente aquellos asociados al diseño y mantenimiento de las instalaciones, así como el tipo de gestión realizada durante el almacenamiento, tratamiento y aplicación agrícola de las deyecciones. Habitualmente, la cantidad, la calidad, la composición de las deyecciones ganaderas y la manera cómo se manejan y almacenan son los principales factores que determinan los niveles de emisión de sustancias olorosas.

1.2. Tratamiento de aguas residuales

   Los olores en la depuración de aguas residuales se producen generalmente como resultado de la transformación biológica anaeróbica de la materia orgánica y nutrientes presentes en el efluente. Las aguas negras domésticas son la fuente principal de la demanda biológica de oxígeno (DBO) de las aguas residuales. Los residuos industriales o de otras aplicaciones son habitualmente vertidos contribuyendo al contenido de materia biodegradable, y compuestos de azufre, tales como sulfatos o proteínas. Estos compuestos proveen los ingredientes necesarios para la formación de compuestos azufrados, mercaptanos, H2 S, ácidos orgánicos, y otros compuestos orgánicos como aldehídos y cetonas.

   El riesgo de impacto de la fase de recepción de agua y pretratamiento depende de la anaerobiosis del agua de entrada, del área expuesta a la atmósfera, y de la turbulencia presente. Durante el tratamiento primario, los lodos que contienen muchos de los microorganismos responsables de la formación de olores son sedimentados en el fondo del decantador primario. La magnitud de las emisiones olorosas de este foco está directamente relacionada con su superficie expuesta a la atmósfera y la adecuada extracción de los fangos. Mediante el tratamiento biológico del agua la DBO se transforma rápidamente en biomasa aeróbica, dióxido de carbono y agua, reduciendo drásticamente las sustancias disueltas altamente olorosas. El tratamiento biológico, así como la decantación secundaria, bajo condiciones normales de operación, tienen poca probabilidad de generar molestias a los receptores próximos.

   Los materiales que generan más olor en un proceso de depuración están mayoritariamente contenidos en los lodos primarios. En ausencia de suministro de oxígeno, la descomposición anaeróbica se produce rápidamente, generando olores desagradables y ofensivos. En el momento en que los lodos son extraídos de la decantación primaria, se estima que tienen una concentración de olor entre 2 y 3 órdenes de magnitud mayor que la del agua residual decantada. Por otra parte hay que considerar que el almacenamiento de lodos puede generar altas concentraciones de H2S.

1.3. Plantas de compostaje de residuos y vertederos

   Los focos de emisión de olores de las plantas de compostaje de residuos dependen de factores como las características de los residuos a tratar, el sistema tecnológico de compostaje utilizado, la eficacia del sistema de aireación y en gran medida de si las instalaciones están o no confinadas. De manera general, todas las fases del proceso son focos potenciales emisores de olor en sistemas abiertos, especialmente la fase de descomposición. En cambio en sistemas cerrados, debido a que se dirigen las emisiones hacia un sistema de tratamiento, los principales focos son las emisiones fugitivas de las naves, los olores residuales de los sistemas de tratamiento de gases y el almacenamiento del compost final. Durante el proceso de compostaje se emiten una amplia variedad de gases, como pueden ser CO2, NH3, NOx, CH4, y COVs, siendo los más frecuentes los ácidos orgánicos (como el acético, el valérico, el butírico y el propiónico), los compuestos aromáticos (que se suelen producir durante la degradación aeróbica de la lignina) y los terpenos (principalmente limoneno y α-pineno).

   En los vertederos la materia orgánica vertida y que no ha sido estabilizada previamente experimenta una descomposición anaerobia que genera los gases de fermentación (biogás) junto con un lixiviado. Estos gases, a parte de CH4, CO2, N2 y H2, también contienen un amplio y variado grupo de compuestos minoritarios y que son los causantes de los malos olores generados, como compuestos azufrados, mercaptanos, aldehídos, H2S, algunos hidrocarburos, etc. Emisiones incontroladas de biogás pueden llegar a percibirse, bajo ciertas condiciones meteorológicas, hasta varios kilómetros de los límites del vertedero. La tipología y manejo del sistema de captación de biogás hacia al sistema de combustión o aprovechamiento, así como su eficacia es el factor determinarte de impacto en este tipo de instalaciones. Al mismo tiempo, la recolección, el transporte y el manejo de los residuos durante el vertido de los mismos, junto con los efectos de la temperatura y la lluvia, provocan que los residuos comiencen a descomponerse antes de que estos sean depositados adecuadamente y, por lo tanto, también generan malos olores incontroladamente.

2. Caracterización de las emisiones asociadas a los malos olores

   Los compuestos responsables de los malos olores poseen un umbral de detección de olor muy bajo, del orden de partes por billón e incluso partes por trillón (Figura 1). Consecuentemente, pequeñas cantidades de estos compuestos en una mezcla ya son suficientes para generar olores muy relevantes. Asimismo, estos compuestos suelen estar presentes de forma minoritaria en emisiones causantes de malos olores, encontrándose combinados en mezclas complejas de composición química muy variable. En otras palabras, los compuestos responsables del olor habitualmente no coinciden con aquellos compuestos que están a mayor concentración.

   Estas bajas concentraciones son además difícilmente cuantificables por los equipos instrumentales más comunes de GC-MS (cromatografía de gases con detección por espectrometría de masas), ya que éstos no poseen suficiente sensibilidad analítica. Por esta razón, en los últimos años ha crecido el interés por los sistemas GC-TOFMS (TOF: time-of-flight), que incorporan un detector más rápido con sensibilidad y resolución superior respecto a los convencionales GC-MS de cuadrupolo simple. De esta manera los sistemas GC-TOFMS permiten paralelamente la determinación de un muy alto número de compuestos, llegando a casi un 50% más respecto a sistemas convencionales (Vera, 2012), a una elevada sensibilidad, del orden de partes por trillón, de 10 a 100 veces menor que los sistemas de cromatografía convencionales.

   Otra dificultad añadida a este contexto es la disparidad de umbrales de detección de olor que existe en la bibliografía, referenciándose para un mismo compuesto rangos de umbrales muy amplios. Un claro ejemplo de ello se muestra en la Figura 1, donde Boeker (2014) ilustra los umbrales recogidos por Nagata (2003) de más de 230 compuestos, apreciándose que difieren más de 3 órdenes de magnitud para compuestos tan relevantes como los azufrados.

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Fig. 1. Compendio bibliográfico de umbrales de detección para diferentes grupos de compuestos químicos (Nagata 2003), elaborado por Boeker (2014).

   A la vez, las mezclas causantes de malos olores sufren efectos de sinergismo o de antagonismo entre compuestos, es decir, la presencia o ausencia de una especie química en la mezcla de gases puede potenciar, disminuir, o incluso cambiar completamente la percepción de un olor.

   Debido a esta complejidad del sentido del olfato humano, para evaluar la potencial incidencia olfativa de determinados focos de olor en emisión es imprescindible la utilización de técnicas sensoriales, como es la olfatometría dinámica (EN-13725), combinándolas con análisis químicos de alta sensibilidad como es la GC-TOFMS.

   Una de las técnicas más novedosas que permite la obtención simultánea tanto de información sensorial como química de una muestra es la GCO (GC-sniffing), mediante un equipo de GC-MS acoplado a un puerto olfatométrico. De este modo los compuestos son percibidos por un analista, capaz de describir el olor y cuantificar la intensidad aromática, a la vez que los olores alcanzan también el detector (MS) que proporciona una señal cromatográfica.

3. Emisión de olores en el medio ambiente y evaluación de impacto

   El impacto de las emisiones olorosas en las inmediaciones de una instalación dependerá de la magnitud de la tasa de emisión de la misma, de la proximidad de los receptores sensibles y de la topografía local y condiciones meteorológicas predominantes. Adicionalmente, la magnitud del impacto también depende de la frecuencia, la intensidad y la duración de los episodios de olor, todos ellos factores muy relacionados con la meteorología de la zona, y también con el carácter ofensivo del olor.

   Para tener en cuenta todos estos factores y determinar los valores de inmisión de olor generados por la actividad, habitualmente se utilizan los modelos matemáticos de simulación de dispersión de olores. Los modelos de dispersión atmosférica describen los efectos de la turbulencia atmosférica en las emisiones de olor una vez éstas se emiten y se diluyen con el aire de alrededor de la actividad en cuestión.

   Por el contrario, la medida directa de concentraciones de olor en los puntos de recepción, por ejemplo mediante olfatómetros de campo, se asocia a varias limitaciones (Henry, 2009). Algunas de ellas son su escaso cumplimiento con los requerimientos exigidos por la EN13725, por ejemplo en cuestiones sobre el diseño del equipo de medición (rango de dilución, factor de dilución), la calibración del mismo (precisión, Id ≤ 5% y exactitud, Ad ≤ 0,20), número mínimo de panelistas involucrados en el análisis (≥4), condiciones ambientales durante la medición (temperatura, renovación de aire), etc. La metodología para determinar los límites de exposición establecidos en legislaciones y licencias ambientales de países europeos y de muchos otros (Australia, Colombia, etc.) no contemplan la olfatometría de campo, ni tampoco existen normas técnicas estandarizadas para este tipo de mediciones. A la vez, a la hora de medir olores ambientales con estos equipos existe el riesgos de confusión entre el olor de fondo (vegetación, tráfico) y el propio olor instalación, y es necesaria una gran cantidad de mediciones, distribuidas representativamente en el espacio y a lo largo del tiempo, para llegar a un resultado consistentemente vinculado con la existencia o no de molestias por olores.

   De la misma manera la medición de compuestos químicos en inmisión es una práctica compleja y muy difícil de interpretar. Como ya se ha comentado, cuando se percibe un olor es bien posible que la concentración de los compuestos químicos que lo generan todavía esté cerca del límite de detección de los métodos analíticos GC-MS. En el caso que se pudieran detectar, sería complicado vincularlos con una fuente específica (una ciénaga cercana puede producir mercaptanos, o una carretera puede generar hidrocarburos a nivel local). Finalmente, la concentración en cualquier punto de medición estaría influenciada por las condiciones meteorológicas del momento de muestreo y por lo tanto para una buena representatividad de datos también se requeriría un elevado número de muestras y puntos de muestreo, que en la mayoría de casos hacen económicamente inviable un estudio de esta índole.

   Contrariamente, la evaluación directa de la exposición del olor sí se puede realizar con asesores de campo (entrenados convenientemente y cuya capacidad olfativa haya sido testada en laboratorio) mediante el método de la malla, de acuerdo a la norma alemana VDI-DIN 3940:2006. Esta metodología es la empleada por el Comité de Estandarización Europeo (CEN, Grupo Europeo de Trabajo WG27) para elaborar un método estándar europeo para evaluar la exposición a olores mediante paneles de campo. La técnica consiste en la medición de la frecuencia del olor en una malla de puntos alrededor de la fuente de olor durante un mínimo de seis meses, resolviendo el problema de la representatividad espacial / temporal antes mencionado.

   Por otro lado, es de especial interés comentar que la creciente predisposición de nuestra sociedad a organizarse, continuamente interconectada, y motivada por participar para conseguir un fin común, ha creado movimientos tan conocidos como el crowdsourcing enfocado, entre otras cosas, a la mejora de la calidad ambiental de nuestro entorno. Dentro de este contexto, es bien posible monitorizar y evaluar la exposición al olor mediante la participación ciudadana. Pudiéndose emplear para ello comunidades de residentes como voluntarios para realizar un programa de observaciones de campo y/o observaciones espontáneas, así como paneles profesionales. Un ejemplo de esta posibilidad es la herramienta denominada Odourmap (van Harreveld, 2012), que permite el registro de quejas y observaciones (por SMS, teléfonos inteligente o vía web) de los residentes y o paneles de profesionales, así como su visualización en tiempo real (Figura 2).

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Fig. 2. Imagen de la Plataforma online de Odourmap y algunos de sus canales de información: observaciones de campo con el método de la malla, registro de quejas, datos meteorológicos y ubicación de las principales actividades potencialmente generadoras de olor.

   Esta herramienta está diseñada para ser efectiva en la comunicación transparente de situaciones de conflicto, permitiendo la interacción directa entre los ciudadanos, administradores y operadores de planta, con el objetivo de minimizar problemas y desarrollar políticas de gestión de olores efectivas.

4. Conclusiones

   - Las emisiones causantes de malos olores son habitualmente mezclas complejas de composición química muy variable, donde los compuestos responsables del olor se encuentran a muy bajas concentraciones. Esta complejidad obliga a caracterizar los focos de emisión mediante técnicas sensoriales, como es la olfatometría dinámica, combinándolas con análisis químicos de alta sensibilidad, como es la GC-TOFMS.

   - Para abordar un estudio de impacto por olores se aconseja la utilización de modelos de dispersión o la medida directa de la exposición según el método de la malla (VDI3940), desaconsejando el uso de olfatómetros de campo o la caracterización química en inmisión.

   - Actualmente la participación ciudadana es una alternativa viable para la gestión de impactos por olores, por ejemplo a través de plataformas efectivas de comunicación multilateral como Odourmap, que pretende reducir los impactos sensoriales y la ansiedad de los ciudadanos cuando éstos ocurren.

Referencias

   EN 13725:2003. 2003. Air Quality - Determination of odour concentration by dynamic olfactometry.

   Environment Agency, IPPC S5.02, Guidance for the Landfill Sector Version 3a, 2001.

   Environment Agency, Technical Guidance Note IPPC SRG 6.02 (Farming). Integrated Pollution Prevention and Control. Odour Management at Intensive Livestock installations, 2003

   Environment Agency, Guidance on the management of landfill gas, 2004

   Environment Agency, IPPC S5.02, Guidance for the Landfill Sector External Consultation, 2005

   SRL Consulting, Odour monitoring and control on landfill sites, 2013

   DIN EN 12255-9 Wastewater treatment plants - Odour control and ventilation, 2002

   Henry, Christopher Garrett. 2009. Development of the mask scentometer, a comparison of ambient odor assessment methods, and their application in ground truthing atmospheric dispersion models. 2009). Biological Systems Engineering--Dissertations, Theses, and Student Research. Paper 6. http://digitalcommons.unl.edu/biosysengdiss/6

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   Stuetz, R., Frechen, F-B, Odours in Wastewater Treatment – Measurement, modelling and control, International Water Association, London 2001, ISBN 1 900222 46 9

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   Van harreveld, A. 2012. Odourmap, an Online Web Based Tool for Filed Observation, Resident Participation, and Odour Comunity Relation. Chemical Engineering Transactions VOL. 30, 2012

   VDI/DIN3940. 2006. Determination of Odorants in Ambient Air by Field Inspections, VDI, Beuth Verlag, Germany.

   VDI3474: 2001. Emission control - Livestock farming: Cattle – Odorants

   L. Vera, E. Pagans, R. Domingues, A. Van Harreveld. 2012. Evaluación de la capacidad de un sistema TD-GCO-TOFMS en el análisis de muestras de aire, en: Primera Conferencia sobre Olores en el Medio Ambiente, Madrid, 2012.

   Yoshio Nagata. 2003. Measurement of Odor Threshold by Triangle Odor Bag Method. http://www.env.go.jp/en/air/odor/measure/02_3_2.pdf (fecha de consulta: 04/02/2014).

Agradecimientos

   Odournet SL agradece al Dr. P. Boeker, de la Universidad de Bonn, por haber facilitado parte de su trabajo en relación al compendio bibliográfico de umbrales de detección de olor antes de que sea publicado.