La selección de tecnologías para el control de olores en PTAR no depende solo del costo de capital, sino también de los costos y requerimientos de operación y mantenimiento (O&M), que varían ampliamente entre soluciones.
Este análisis compara el costo del ciclo de vida de las principales tecnologías disponibles, utilizando el sulfuro de hidrógeno (H₂S) como parámetro de diseño, para identificar la opción más adecuada según su concentración. Comprender y atender los requerimientos de O&M es clave para prevenir fallas y evitar costos adicionales derivados de quejas y correcciones tardías.
S. Trainor, P. Vega Casiano, B. Haan & D. Pouleurs
Xylem Water Solutions Inc
Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.
Editor académico: Carlos N Díaz.
Calidad del contenido: Este artículo científico ha sido revisado por al menos dos revisores. Vea el comité científico aquí.
Citación: S. Trainor, P. Vega Casiano, B. Haan & D. Pouleurs, 2025, Comparación Económica y Consideraciones de Operación y Mantenimiento para Sistemas de Control de Olores (Biológico, Químico y Carbón Activado), Congreso OLORES25, Santiago, Chile, www.olores.org.
Copyright: 2025 Olores.org. Los autores retienen la propiedad del copyright de sus artículos, pero los autores permiten a cualquier persona descargar, reusar, reimprimir, modificar, distribuir y/o copiar artículos del sitio web de olores.org, siempre que se citen los autores originales y las fuentes. No es necesario permiso específico de los autores o de los editores de esta web.
ISBN: pendiente
Palabras clave: Control de olores, ácido sulfhídrico, tecnologías de tratamiento, costo ciclo de vida, operación y mantenimiento
Vídeo
Resumen
Al seleccionar una tecnología de control de olores, el costo de capital es a menudo el factor principal. Sin embargo, los costos de Operación y Mantenimiento (O&M) juegan un papel crítico en esta selección, ya que estos costos y el nivel de esfuerzo para mantener el control de olores funcionando correctamente varían significativamente para cada tecnología. En algunos casos, combinar varias tecnologías en serie es la solución correcta para administrar mejor los costos de O&M.
Este documento compara el costo del ciclo de vida de las principales tecnologías disponibles para el control de olores para PTAR municipales. Se revisarán los conceptos básicos, los requisitos de O&M de cada una. Se utilizó sulfuro de hidrógeno (H2S) como criterio de diseño, comparando el costo del ciclo de vida para cada tecnología con distintas concentraciones de H2S con el objetivo de identificar qué tecnología es la más apropiada para cada concentración de H2S.
El control de olores tiene una baja prioridad en la operación de una PTAR, y a veces se ignora hasta el punto de que falla o hasta que comienzan las quejas por olores de los vecinos. Esto puede costar mucho más dinero que el ahorro de tiempo y dinero que se logró al no realizar el mantenimiento cuando correspondía. Por lo tanto, comprender los requisitos de operación y mantenimiento de sus sistemas de control de olores es fundamental para el éxito a largo plazo de su gestión de olores.
1. Introducción
La elección del tipo de tecnología: química, biológica o carbón activado para el control de olores en PTAR municipales es una evaluación financiera. Las tres tecnologías pueden ser eficaces, pero los costos de capital y operativos pueden variar ampliamente según el volumen de aire y la concentración de olores que se traten. El nivel de conocimiento técnico para mantener cada tipo de sistema también puede variar significativamente y muchas veces no es valorada. Es bien sabido que cada tecnología de control de olores tiene su nicho:
- Los sistemas biológicos suelen tener los costos operativos más bajos, pero un costo de capital, debido a que requieren reactores más grandes.
- Los scrubbers químicos son los más confiables para manejar fluctuaciones del sistema y operan en un espacio más pequeño, pero tienen consideraciones de operación y mantenimiento más altas (manejo de químicos).
- Los sistemas de carbón activado/medio seco son simples y rentables en concentraciones bajas de H2S, pero tienen un mayor costo de operación y mantenimiento en niveles altos.
2. Metodología
Se comparan 3 tecnologías: bio tricking filter (BTF), scrubber químicos y carbón activado; considerando 3 concentraciones de entrada de H2S: 2, 10 y 50 ppm.
El análisis se ha centrado en los siguientes parámetros económicos:
- Costo de capital para una instalación.
- Costos operativos, anualizados.
- Valor actual neto a 20 años.
En el Anexo 1 se muestran los costos de instalación para cada tecnología.
3. Resultados y discusión
3.1. Control de Olores Biológico
Se utilizan bacterias para consumir el H2S y otros compuestos orgánicos que producen olor. Estos sistemas incluyen métodos para fomentar la reactividad bacteriana; estos se pueden dividir en dos categorías principales: A) filtros percoladores biológicos (también conocidos como BTF) y B) biofiltros. La filosofía central de un BTF es que las bacterias autótrofas utilicen compuestos basados en sulfuro y orgánicos como fuente de alimento. Cuando se apunta a la eliminación de H2S, el BTF completamente aclimatado funcionará a un pH ácido, en el rango de pH 2. Los BTF también pueden incluir zonas que utilizan biología heterotrófica para proporcionar la eliminación de compuestos que no sean H2S en un entorno de pH más neutro. Esta operación heterotrófica a pH neutro también es similar a como funcionaría un biofiltro más tradicional. La combinación de estos dos procesos en zonas separadas dentro de un solo recipiente se describe en Parker, et. al, Patente de EE. UU. 7.2763.66.
Los BTF tienen un tamaño específico para el objetivo de tratamiento y las siguientes eficiencias son comunes para el objetivo indicado:
- 99 % de eliminación de H2S = 8 a 10 seg de tiempo de contacto.
- 99,5 % de eliminación de H2S = 12 a 15 seg de tiempo de contacto.
- 95 % de eliminación de olores orgánicos = 15 a 20 seg de tiempo de contacto.
La biomasa se auto aclimatará a los niveles de H2S entrantes del aire entrante y el costo operativo no es proporcional a la carga de H2S entrante.
3.2. Operación y Mantención
La operación consiste en “alimentar y regar” la biomasa. Un suministro constante de aire garantiza que la biomasa se aclimate al sistema. Los picos extremos de H2S abrumarán la capacidad de tratamiento y la falta de compuestos olorosos hará que la biomasa se muera de hambre. Con respecto a “regar la biomasa”, el suministro de agua debe ser suficiente para eliminar el exceso de subproductos ácidos de la oxidación de H2S y proporcionar humedad y nutrientes a la biomasa. La calidad del agua ideal es agua potable con un mínimo de cloro libre. La cantidad de agua necesaria se gestiona mediante controles regulares del pH del agua de drenaje del sistema BTF. Algunos sistemas BTF pueden consumir grandes cantidades de agua, especialmente cuando hay niveles muy altos de H2S que ingresan al sistema. Por lo tanto, si está disponible, las instalaciones a menudo utilizan agua de efluente terciaria o agua secundaria filtrada. Es importante asegurarse de que no haya nada en el agua reutilizada que pueda ser tóxico para la biomasa.
Por otro lado, con respecto a la mantención de equipos, además de fallas mecánicas de ventiladores y bombas, cortar el suministro de agua o el suministro de aire durante períodos prolongados son las razones más comunes de falla de un BTF.
3.3. Control de Olores Químico
Se utilizan productos químicos para reaccionar con el H2S y otros compuestos de azufre reducidos. Los scrubber químicos también son muy eficaces para eliminar los olores a base de amoníaco y aminas. El tratamiento se logra muy rápidamente con una remoción de más del 99 % con H2S en menos de 1 segundo de tiempo de contacto. Esto permite que los sistemas sean más pequeños que las otras tecnologías. Dependiendo de la química seleccionada, el punto de ajuste será el pH o el potencial de reducción de oxidación (ORP).
El producto químico que se dosifica al sistema depende de la carga de compuestos del aire viciado. Para la eliminación de amoníaco/aminas se utiliza una química ácida como el ácido sulfúrico; para el H2S y los olores orgánicos, a menudo se utilizan hipoclorito de sodio e hidróxido de sodio.
Estos sistemas son modulares, suelen tener un reactor con una sola etapa o potencialmente múltiples etapas de tratamiento en un solo reactor. Cuando se utiliza un sistema de múltiples etapas, el costo de capital puede ser mayor, pero el costo anual de los productos químicos puede reducirse hasta en un 50%. El sistema químico puede adaptarse rápidamente a los cambios en la carga del aire contaminado. El uso de productos químicos y, por lo tanto, el costo de las operaciones es proporcional a la carga de H2S en el aire contaminado.
3.4. Operación y Mantención
El mantenimiento de un sistema químico es más complejo y requiere un mayor nivel de habilidad y dedicación de tiempo que el de un sistema biológico o de carbón activado. La calibración de las sondas de pH y ORP es la tarea más crítica, ya que estos instrumentos determinan la cantidad de producto químico que se consume.
Otro elemento crítico es asegurar que se agregue suficiente agua de reposición al sistema. A menudo se observa que se reduce el agua de reposición en un intento de reducir el consumo de productos químicos, ya que algunos de éstos se pierden en el drenaje de purga. Sin embargo, si se agrega insuficiente agua, la acumulación de subproductos y el aumento de la conductividad dan como resultado lecturas inexactas de pH y ORP y una menor efectividad de los productos químicos. Este aumento de la conductividad también conduce a una mayor formación de incrustaciones en el empaque y tener que realizar lavados ácidos más frecuentes al medio de empaque.
Los medios de empaque bien mantenidos suelen tener una vida útil de más de 20 años. La frecuencia del lavado ácido del empaque depende de varios factores, incluidas las concentraciones de contaminantes de entrada, la dureza del agua y qué tan bien se ha operado el sistema desde el último lavado ácido. Un lavado ácido implica apagar el flujo de aire y el producto químico, drenar los sumideros, agregar ácido clorhídrico y hacer funcionar las bombas de recirculación hasta que se haya disuelto todo el material de incrustación del empaque. Este material ácido se neutraliza luego en el lugar y se drena fuera del sistema, o se puede bombear a contenedores para su eliminación.
3.5. Control de Olores por Carbón Activado/Medio Seco
El carbón activado o de medios secos son los más básicos para el control de olores. El aire a tratar simplemente se sopla a través de un medio de adsorción (a menudo carbón activado, pero a veces otros medios) contenido dentro de un reactor. Los compuestos olorosos se adhieren a los poros del medio. Por lo general, los sistemas están dimensionados para un tiempo de contacto de alrededor de 3 segundos con una velocidad de lecho ideal de no más de 60 pies por minuto. Esto los coloca en el rango medio para el dimensionamiento y, por lo tanto, de costo de capital. Hay una variedad de diseños de reactores para adaptarse a diferentes caudales y tipos de medios (Trainor / Harshman et.al.) WE&T oct 2022 – The Critical Vessel).
El factor clave de estos sistemas, que afecta tanto al capital inicial como a la O&M es el tipo, o más bien la capacidad del carbón/medio que se utilice. El carbón activado virgen es bueno sólo para concentraciones H2S menor a 2 ppm. Existen en el mercado carbones de mayor capacidad que pueden adsorber más H2S y, por lo tanto, durar más, pero también tienen un costo más alto. Algunos carbones de alta capacidad para H2S pueden eliminar 0,30 gramos de H2S por centímetro cúbico, lo que permite aplicarlos a cargas de aire viciado de hasta aproximadamente 20 ppm de H2S.
3.6. Operación y Mantención
El mantenimiento de este tipo de sistemas es, teóricamente, el más simple. El equipamiento se limita a un ventilador y la instrumentación es típicamente un manómetro diferencial para monitorear la presión del lecho. Pueden incorporarse puntos de muestreo para extraer medio y así analizar la eficiencia del tratamiento. Estos puntos se pueden usar como "puntos de referencia" donde si se detecta olor, se asume que el medio a ese nivel en el medio se ha consumido; o se puede usar un monitor de H2S para determinar la vida útil restante del lecho.
El mayor desafío asociado con los sistemas de carbón activado/medio seco es qué hacer cuando el medio ha alcanzado su capacidad:
- Algunos proveedores de medio recomiendan un proceso de lavado para eliminar subproductos ácidos del medio de adsorción. Este proceso de lavado y secado in situ puede llevar un día o más, dependiendo de cuántos lavados sean necesarios para eliminar el ácido. La experiencia de la industria sugiere que los medios durarán entre 3 y 5 lavados antes de requerir reemplazo. Esto se debe a dos razones:1. el proceso de lavado degrada físicamente los medios y 2. los contaminantes que no son H2S adheridos a los medios no se eliminan y eventualmente consumen la capacidad de los medios de manera permanente.
- Reemplazar los medios, es un ejercicio importante, dependiendo del tamaño y tipo del equipo. Puede requerirse de andamios, camiones de vacío, grúas y personal capacitado para el acceso a espacios confinados. Se deben adquirir nuevos medios y los exhaustos se deben disponer de manera adecuada, según la legislación local.
3.7. Comparación de Costos entre Tecnologías
La Tabla 4 del Anexo muestra cuatro tecnologías (scrubber químico 1 etapa, scrubber químico 2 etapas, BTF y carbón activado) comparadas entre sí para una concentración de 2 ppm de H2S. Las opciones de carbono y biológicas requieren torres o reactores adicionales, se puede ver que tienen el mayor costo de capital instalado, lo que impacta en el ciclo de vida de 20 años. Como la carga es relativamente baja (2 ppm), el costo operativo de las tecnologías es bajo.
En la tabla 5 del Anexo, para las mismas tecnologías, ahora con una condición de entrada de 10 ppm de H2S. Se observa un ligero aumento en el costo de capital para los sistemas químicos debido a que se necesita aumentar el tamaño de los tanques y las bombas. El costo de capital para los sistemas biológico y de carbono sigue siendo el mismo. El costo de eliminar el H2S comienza a aumentar para las opciones químicas, pero se mantiene estable para la biológica. Finalmente se observa un aumento significativo en el costo de reemplazo del medio de carbono que lleva el costo del ciclo de vida de 20 años a más del doble de las otras tecnologías.
Finalmente, en la Tabla 6 con 50 ppm de H2S, el costo de capital de los sistemas sólo cambia levemente para las opciones químicas, pero el costo de operación aumenta significativamente para la opción química y, especialmente, para la opción de carbono. El carbón activado ahora requeriría cambios varias veces al año, lo que eleva el costo operativo por las nubes La biomasa requerida para eliminar el H2S más alto en la opción biológica no experimenta el mismo aumento de costo... los "bichos" trabajan casi gratis, se podría decir.
3.8. Otros factores a considerar
Es importante destacar que cada proyecto es diferente y se deben tener en cuenta los requisitos específicos del sitio, algunos de los cuales pueden ser:
- Interior vs. Exterior
- Restricciones de altura y espacio
- Protección climática y contra heladas
- Origen del olor y presencia de amoníaco, mercaptano y otros olores orgánicos
- Proximidad de vecinos sensibles
- Incertidumbre en los niveles de olor actuales y futuros
- Servicios del sitio (agua, efluente tratado, eliminación de efluentes)
- Combinación de tecnologías, como la biológica seguida de carbón activado para proporcionar una mayor eficiencia a un menor costo general
- Aplicaciones permanentes o temporales
Estos elementos también tienen impactos económicos en la evaluación del proyecto y que alejan la decisión del menor costo de capital o el menor costo del ciclo de vida. Los sesgos en contra de una determinada tecnología debido a experiencias previas también pueden surgir del usuario final; sin embargo, en algunos casos puede que no sea un problema con la tecnología tanto como una operación incorrecta en el pasado.
4. Conclusiones
Se requiere de una evaluación del costo del ciclo de vida para comparar adecuadamente, teniendo en cuenta el costo de capital, el costo operativo y los requisitos de mantenimiento.
Se deben tener en cuenta otros factores importantes, como condiciones del sitio, los tipos de compuestos olorosos, el porcentaje de eliminación requerido, las fluctuantes de olores, el funcionamiento intermitente y las incertidumbres en los requisitos de diseño actuales y futuros. En algunos casos, se requiere una combinación de las tecnologías disponibles para satisfacer mejor la aplicación de tratamiento.
Todo lo anterior supone que el sistema se opera y se mantiene según las instrucciones del fabricante del equipo original. Si no se opera y se mantiene correctamente, el perfil de costo del ciclo de vida de una tecnología en particular puede cambiar drásticamente para peor.
5. Referencias
Environmental Protection Agency. (1985). Design Manual Odor and Corrosion Control in Sanitary Sewerage Systems and Treatment Plants. EPA.
Haan, B., Trainor, S. (2023) “Comparison of the Economics of Chemical, Biological and Activated Carbon Odour Control Systems”. Proceedings of the Water Environment Association of Ontario Conference, 2023, Toronto, ON Canada.
Parker, Richard D; Davis, Eric C.; Jain, Roop C. “Biological Scrubber Odor Control System and Method” US Patent 7,276,366, Oct. 2, 2007.
Trainor, S., Harshman, V. (2022). “The Critical Vessel: The Importance of Activated Carbon Vessel Selection and Design”, Water Environment & Technology (WE&T), Water Environment Federation; Volume 34, No.10, pgs. 39-45.(https://www.waterenvironmenttechnology-digital.com/waterenvironmenttechnology/october_2022/MobilePagedReplica.action?utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_campaign=TXWEAT221003002&utm_content=gtxcel&pm=2&folio=39#pg4)
Trainor, S.; Horst, C.; Arney, D. (2024). “Bypass Pumping and the Sulfide Challenge - Solutions for Remedying the Unique Safety, Odor and Corrosion Challenges Faced in Temporary Bypass Pumping Projects due to Hydrogen Sulfide” Proceedings of the WEF Stormwater and Collection Systems Conference 2024, Hartford, CT, USA.
Water Environment Federation. (2020). “Odor Emissions and Control for Collection Systems and Water Resource Recovery Facilities. Manual of Practice No. 25 (second edition)”. Alexandria, VA: Water Environment Federation.
Water Environment Research Foundation [WERF] (2007) Minimization of Odors and Corrosion in Collection Systems Phase 1; Alexandria, Virginia.
ANEXO I
En las siguientes tablas se muestran los costos asociados de una instalación de control de olores para cada tecnología
El costo de los insumos seguirá fluctuando según las condiciones del mercado, pero se utilizaron las siguientes estimaciones como base para todos los sistemas:
Tabla 1. Costos Variables
|
Flujo de aire |
25 |
CFM |
|
Concentración de H2S |
50 |
ppm |
|
Concentración de CO2 |
415 |
ppm |
|
Costo 25% Caustica |
$0.75 |
$/gal |
|
Costo 12.5% Hipoclorito |
$0.65 |
$/gal |
|
Costo del agua |
$0.01 |
$/cf |
|
Costo electricidad |
$0.10 |
$/kWh |
|
Mano de Obra |
$80 |
$/hr |
|
Ciclo de Vida |
20 |
years |
|
Tasa de interes |
8.0% |
per year |
Tabla 2. Estimación del costo de instalación sobre el costo de capital
|
Scrubber químico, una etapa |
35% |
|
Scrubber químico, dos etapa |
20% |
|
BTF (Biotrickling Filters) |
20% |
|
Carbon Activado |
20% |
Tabla 3. Estimación del costo material de mantención como % el costo de capital
|
Scrubber químico, una etapa |
0.35% |
|
Scrubber químico, dos etapa |
0.35% |
|
BTF (Biotrickling Filters) |
0.25% |
|
Carbon Activado |
0.20% |
Tabla 4. Análisis Ciclo de Vida 20 años para concentración de H2S de 2ppm
|
Parámetro |
Scrubber químico, 1 etapa |
Scrubber químico, 2 etapas |
BTF |
Carbón Activado de alta capacidad |
|
Flujo de Aire, CFM |
25 |
25 |
25 |
25 |
|
Concentración H2S, ppm |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
Costo Capital |
$761.400 |
$924.880 |
$1.840.000 |
$1.445.000 |
|
N° torres en paralelo |
1 |
1 |
3 |
2 |
|
Costo de químicos |
$25,86 |
$20,27 |
$131 |
$0 |
|
Costo de Energía |
$41,82 |
$49,67 |
$35,94 |
$33,33 |
|
Costo Medio (anualizado) |
$1,40 |
$1,08 |
$33,25 |
$90,79 |
|
Costo Agua |
$87 |
$87 |
$164 |
$0 |
|
Mantención |
$17,69 |
$18,04 |
$18,04 |
$10,00 |
|
Costo Total Mantención |
$86,86 |
$89,14 |
$87,53 |
$134,13 |
|
Costo total 20 años |
$1.614.202 |
$1.800.037 |
$2.699.359 |
$2.761.856 |
Tabla 5. Análisis Ciclo de Vida 20 años para concentración de H2S de 10 ppm
|
Parámetro |
Scrubber químico, 1 etapa |
Scrubber químico, 2 etapas |
Biotrickling filter |
Carbón Activado de alta capacidad |
|
Flujo de Aire, CFM |
25 |
25 |
25 |
25 |
|
Concentración H2S, ppm |
10 |
10 |
10 |
10 |
|
Costo Capital |
$789.600 |
$951.280 |
$1.840.000 |
$1.445.000 |
|
N° torres en paralelo |
1 |
1 |
3 |
2 |
|
Costo de químicos |
$72,88 |
$44,91 |
$654 |
$0 |
|
Costo de Energía |
$41,82 |
$49,67 |
$35,94 |
$33,33 |
|
Costo Medio (anualizado) |
$1,40 |
$1,08 |
$33,25 |
$453,96 |
|
Costo Agua |
$437 |
$437 |
$819 |
$0 |
|
Mantención |
$17,69 |
$18,04 |
$18,04 |
$10,80 |
|
Costo Total Mantención |
$134,23 |
$114,14 |
$88,71 |
$498,08 |
|
Costo total 20 años |
$2.107.505 |
$2.071.874 |
$2.710.928 |
$6.335.225 |
Tabla 6. Análisis Ciclo de Vida 20 años para concentración de H2S de 50 ppm
|
Parámetro |
Scrubber químico, 1 etapa |
Scrubber químico, 2 etapas |
Biotrickling filter |
Carbón Activado de alta capacidad |
|
Flujo de Aire, CFM |
25 |
25 |
25 |
25 |
|
Concentración H2S, ppm |
50 |
50 |
50 |
50 |
|
Costo Capital |
$930.600 |
$1.038.400 |
$1.840.000 |
$1.445.000 |
|
N° torres en paralelo |
1 |
1 |
3 |
2 |
|
Costo de químicos |
$307,99 |
$168,16 |
$3 |
$0 |
|
Costo de Energía |
$41,82 |
$49,67 |
$35,94 |
$33,33 |
|
Costo Medio (anualizado) |
$1,40 |
$1,08 |
$33,25 |
$2,269,775 |
|
Costo Agua |
$2 |
$2 |
$4 |
$0 |
|
Mantención |
$17,69 |
$18,04 |
$18,04 |
$14,76 |
|
Costo Total Mantención |
$371,09 |
$239,13 |
$94,60 |
$2,317,858 |
|
Costo total 20 años |
$4.574.050 |
$3.386.177 |
$2.768.774 |
$24.202.072 |