Olfatometría Dinámica y GC-TOFMS para la Monitorización de la Eficacia de un Biofiltro Industrial

el 23 Diciembre 2015. . Visto: 10942

mariadelcarmengutierrez 3 La biofiltración es una de las técnicas más ampliamente utilizada en plantas de tratamiento de residuos para la eliminación de olores. Dichas plantas emiten grandes cantidades de Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) altamente olorosos.

En este estudio, se ha evaluado el comportamiento y eficacia de un biofiltro industrial donde el proceso de compostaje es el principal foco de emisión de COVs y olor.

M.C. Gutiérrez^a*, M.A. Martín^a, E. Pagans^b, L. Vera^b, J. García-Olmo^c y A.F. Chica^a

a. Universidad de Córdoba (España), Departamento de Química Inorgánica e Ingeniería Química, Campus Universitario de Rabanales, Carretera N-IV, km 396, Edificio Marie Curie, 14071 Córdoba, España

b. Odournet SL, Parc de Recerca (UAB), Edificio Eureka, Espacio P2M2, 08193, Bellaterra, Cerdanyola del Vallès, Barcelona, España

c. NIR/MIR Spectroscopy Unit, Servicio Central de Apoyo a la Investigación (SCAI), Universidad de Córdoba, Campus de Rabanales, 14071, Córdoba, España

Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.

Editor académico: Carlos N Díaz.

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Cita: M.C. Gutiérrez, M.A. Martín, E. Pagans, L. Vera, J. García-Olmo y A.F. Chica, 2015, Olfatometría dinámica y GC-TOFMS para la monitorización de la eficacia de un biofiltro industrial, III Conferencia Internacional sobres gestión de Olores en el Medio Ambiente, Bilbao, España, www.olores.org

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ISBN: 978-84-608-2262-2.

Palabras claves: concentración de olor, Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs), compostaje, Análisis de Componentes Principales (ACP), regresión de mínimos cuadrados parciales (PLS)

Resumen

La biofiltración es una de las técnicas más ampliamente utilizada en plantas de tratamiento de residuos para la eliminación de olores. Dichas plantas emiten grandes cantidades de Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) altamente olorosos, que sirven como variable para determinar emisiones de olor en función del tipo de aireación usada durante el proceso. En este estudio, se ha evaluado el comportamiento y eficacia de un biofiltro industrial donde el proceso de compostaje es el principal foco de emisión de COVs y olor. La concentración de olor se ha terminado mediante la técnica sensorial olfatometría dinámica mientras que, cromatografía de gases–time of flight-espectrometría de masas (GC–TOFMS) fue usada para llevar a cabo la caracterización química. Este trabajo evaluó un total de 82 compuestos químicos pertenecientes a 15 familias olorosas de COVs, particularmente mercaptanos, compuestos sulfurados, alcoholes y terpenos, entre otros. La influencia de cada una de estas familias en la varianza total de la medida, tanto de la corriente de entrada como de salida al biofiltro, fue analizada mediante análisis de componentes principales (ACP). Finalmente, se estudió la existencia de correlación entre la información ofrecida por ambas técnicas, es decir, entre la concentración de olor y las familias de COVs, empleando una regresión de mínimos cuadrados parciales (PLS). Este estudio permitió establecer una adecuada correlación (r = 0,9751) entre la concentración de olor real y estimada, ambas expresadas en unidades de olor por metro cúbico (ou_E·m⁻³).

1. Introducción

La presencia de COVs en la atmósfera causa un considerable problema ambiental y social, debido al rechazo poblacional a la percepción de los mismos y a la peligrosidad de muchos de ellos. Aunque en Europa no existe una normativa que establezca límites de emisión de olor, la emisión de COVs está controlada a través de la UE Directive 1999/13/EC. Debido a una creciente conciencia social y, por lo tanto, una legislación cada vez más exigente, las plantas industriales de gestión de residuos incorporan en sus instalaciones sistemas de tratamiento de emisiones gaseosas olorosas, molestas e incluso nocivas en algunos casos (Nicell, 2009). Actualmente, se estima que algo más de la mitad de los biofiltros instalados en todo el mundo para el tratamiento de emisiones gaseosas, se usan en plantas de compostaje y depuradoras de aguas residuales (Van Groenetijn and Kraakman, 2005).

La función de estos biofiltros consiste básicamente en un proceso fisicoquímico y microbiológico, de forma que se hace pasar un flujo contaminado y oloroso de aire a través del relleno del biofiltro, quedando los contaminantes adsorbidos en la superficie porosa donde son absorbidos y degradados por los microorganismos (Hort et al., 2009). Si bien, las características fisicoquímicas del relleno del biofiltro y la presencia de comunidades microbiológicas tienen una gran importancia, así como, un adecuado mantenimiento y el seguimiento de su funcionamiento son fundamentales.

Son diversos los métodos analíticos que se utilizan habitualmente, de forma complementaria, para realizar el seguimiento de la eficacia de biofiltros en la eliminación de COVs y emisiones olorosas, siendo uno de los más novedosos la GC-TOFMS, dotado de rapidez y alta sensibilidad a compuestos de bajos límites de detección. De manera complementaria, los métodos sensoriales, como la olfatometría dinámica, permiten determinar la concentración de olor de una emisión.

En este estudio se han utilizado, ya que una complementa a la otra para su validación, las técnicas analíticas de GC-TOFMS, determinando los compuestos existentes, y la técnica sensorial de olfatometría dinámica, en el seguimiento del funcionamiento de un biofiltro a escala industrial en una planta de residuos sólidos urbanos, bajo distintas condiciones de aireación de la nave de compostaje, que es el principal foco de emisión de olor. Los objetivos han sido determinar el comportamiento y la eficacia global del biofiltro en la eliminación de olor y de COVs. Los datos obtenidos, mediante ambas técnicas, fueron evaluados mediante APC y PLS.

2. Materiales y métodos

2.1. Instalación: sistema de ventilación y tratamiento de emisiones.

Este estudio, se ha realizado en un biofiltro industrial en una planta de gestión de residuos urbanos ubicada en Barcelona (España). El proceso de descomposición de la planta tiene lugar en una única nave-reactor (10.000 m²) totalmente cerrada y dividida en 6 zonas, donde el material es introducido a través de cintas transportadoras (zona 1), y volteado en función de su grado de madurez de manera remota a medida que avanza el proceso de descomposición (hasta zona 6).

Dentro de la nave, se impulsan 130.000 m³/h de aire procedentes de otras zonas de la planta (pre tratamiento) que, a su vez, son aspirados de la misma hacia los sistemas de desodorización. Este caudal aspirado procede de la succión a través de la solera de la nave para airear el material y del aire ambiente de la nave. Para ello, se utilizan 4 ventiladores que operan de manera intermitente y automática para ventilar las 6 zonas de la nave según las necesidades del proceso. Asimismo, a través de 2 ventiladores se aspira de manera continua el aire ambiente de la nave (130.000 m³/h). Este caudal es pretratado en dos lavadores químicos en paralelo y, posteriormente, dirigido hacia un plenum común. El aire contaminado procedente del plenum, se hace pasar por cuatro humidificadores que conducen las emisiones de olor hacia un biofiltro biológico de brezo que consta de cuatro módulos independientes.

En este estudio, se han realizado cuatro muestreos, durante dos meses, bajo diferentes condiciones de ventilación de la nave de descomposición. Aunque en todos los muestreos se extrae aire ambiente de la nave, la extracción de aire de la solera varía entre ellos. Durante el muestreo 1, las diferentes zonas de la nave fueron ventiladas de manera intermitente, lo cual implica que el biofiltro es sometido a grandes variaciones de carga de olor. Durante los muestreos 2 y 3, se ventilaron de manera continuada exclusivamente las zonas 1 y 6 y, durante el muestreo 4, solamente fue conducido hacia el biofiltro aire ambiente.

2.2. Muestreo y análisis.

La toma de muestras de olor se ha realizado a la salida de los 4 humidificadores, lo que se corresponde con las entradas de aire hacia el biofiltro. Además, se han recogido muestras de olor a la salida de la chimenea de forma simultánea (EN-13725:2003, ISO 10780:1994). Las muestras olorosas son recogidas en bolsas de Nalophan® de 8L de capacidad y posteriormente, son caracterizadas, en cuanto a su concentración de olor mediante olfatometría dinámica, acorde al estándar EN 13725:2003, en el laboratorio olfatométrico de Odournet S.L, con el uso de un olfatómetro modelo T08, basado en el método Si/No.

De manera simultánea, fueron recogidas una muestra a la salida de uno de los humidificadores y la salida del biofiltro, para su análisis mediante GC-TOFMS. Para ello, un volumen de muestra es adsorbido en un tubo mediante un dispositivo denominado Easy-COV^TM. Los COVs retenidos son desorbidos y analizados con el uso de un Thermal Desorber (TD, Unity2, Markes International) unido a un GC-TOFMS (BenchTOF-dx, Almsco International). Para la identificación de compuestos, se utilizó la base de datos NIST2011 con el uso del software TaregtView (Almsco International). Para la cuantificación, se utilizó como sustancia patrón Tolueno-d8 (Neochema, GER) disuelto en methanol. Se llevó a cabo un análisis semi-cuantitativo.

Unscrambler software (version 9.2, Process AS, Oslo, Norway) fue usado para llevar a cabo un analysis de datos estadístico. ACP ha sido utilizado con la finalidad de interpretar con mayor claridad la amplia información que aporta el análisis cromatográfico (GC-TOFMS). Por otro lado, mediante PLS se ha llevado a cabo una estimación de la concentración de olor (ou_E/m³) en cada uno de los muestreos realizados a la entrada y salida del biofiltro, a partir de los datos cromatográficos obtenidos. La variable dependiente (concentración de olor, ou_E/m³) es predicha como una función de p-variables independientes (82 compuestos químicos). Se desarrolló un modelo de calibración lineal entre la concentración de olor real y estimada. El coeficiente de correlación (r) y la desviación estándar del error en la etapa de predicción (RMSEP), se calcularon mediante el algoritmo de validación de corrección del estadístico leverage. RMSEP es un estadístico adecuado para evaluar la fiabilidad de las predicciones siempre y cuando los residuales se ajusten a una distribución normal, hecho que ocurre en los datos empleados en este trabajo (ecuación 2).

(2)

Siendo a_i los coeficientes matemáticos construidos por el modelo en el cálculo de estimaciones y σ la desviación típica de los coeficientes.

3. Resultados y discusión

3.1. Resultados del análisis sensorial: olfatometría dinámica.

En la tabla 1, se muestran los resultados obtenidos en cuanto a cuantificaciones de olor en los diferentes muestreos realizados, a la entrada y salida del biofiltro.

Tabla 1. Resultados olfatométricos y eficiencia del biofiltro

Muestreos	Concentración de olor* Entrada biofiltro (ou_E/m³)	Concentración de olor* Salida biofiltro (ou_E/m³)	Caudal de aire salida del biofiltro (m³/s)	Caudal de inmisión de olor (ou_E/s)	Caudal de emisión de olor (ou_E/s)	Eficiencia del biofiltro (%)
Muestreo 1	45.972	34.912	51,1	2.385.623	1.782.164	25
Muestreo 2	11.830	22.334	68,9	845.299	1.850.860	-54
Muestreo 3	15.767	19.539	68,5	1.061.706	1.336.915	-26
Muestreo 4	9.199	16.406	68,0	621.407	1.110.372	-44

^{*Media geométrica de tres medidas comprendida en un intervalo de confianza de la mitad y el doble del valor.}

En el muestreo 1, la ventilación del material compostable se produce de manera automática e intermitente, por lo que el biofiltro se somete a picos de concentración de olor (45.972 ou_E/m³) en breves periodos de tiempo. Por el contrario, en los muestreos 2 y 3, en los que la aireación se produce de forma continuada, se observa una acusada disminución de la concentración de olor a la que se somete el biofiltro con respecto al anterior muestreo. La aireación en continuo consigue mejorar la aireación del material compostable, evitando situaciones de anaerobiosis, y las cargas de olor a las que se somete el biofiltro son mas continuadas pero mucho menores. Además, se ha observado una disminución o ausencia de compuestos de bajo límite de detección (metanotiol o disulfuro de dimetilo). Aunque en el muestreo 4 se ha observado una disminución lógica de la concentración de olor, no se produce una adecuada aireación del material.

Finalmente, la eficacia del biofiltro está muy lejos de ser adecuada. Para un filtro biológicamente activo y en condiciones óptimas, se considera típica una eficacia de eliminación del 90% y un olor residual inferior a 2.500 ou_E/m³ (NeR, 2003).

3.2. Resultados del análisis químico: GC-TOFMS.

Paralelamente al estudio de las emisiones de olor, se ha realizado un análisis cuantitativo de algunas de las 15 familias de COVs presentes en las muestras que son alcoholes, aldehídos, hidrocarburos alifáticos, cíclicos y aromáticos, aminas, ésteres, furanos, cetonas, mercaptanos, ácidos orgánicos, terpenos compuestos nitrogenados, halogenados y sulfurados.

Cabe destacar, que la correlación entre la concentración global de COVs y la concentración de olor de una muestra está condicionada por el límite de detección de olor de cada uno de los COVs determinados en dicha muestra. En este contexto, a diferencia de los resultados obtenidos en relación a eliminación de olor, el biofiltro aportó una eficacia global de eliminación de COV_S, concretamente del 51%, 37%, 15%, 58% en los muestreos 1, 2, 3 y 4, respectivamente. Sin embargo, se ha observado una baja eliminación de compuestos de algunas de las familias (cetonas y terpenos), así como, la generación de otras (mercaptanos y compuestos sulfurados) durante el tratamiento, indicativo del estado de mal funcionamiento por saturación del biofiltro.

Con el fin de estudiar la influencia de la ventilación en las concentraciones de olor y COVs a los que se somete el biofiltro, en cada muestreo se han analizado las concentraciones del compuesto más representativo de cada una de las familias estudiadas, considerándose su límite de detección (Nagata, 2013). Los resultados ponen de manifiesto favorecer la aireación continua del material si bien, el caudal de aireación puede ser variado en función de la madurez del material.

3.3. Análisis de componentes principales.

A la entrada del biofiltro, las componentes principales obtenidas, PC1 y PC2, explicaron un 83% y un 15% de la varianza de los datos, mientras que a la salida, un 96% y un 4%, respectivamente, siendo representativas las 15 familias estudiadas.

3.4. Estimación de la concentración de olor a partir de los COVs estudiados.

Se ha establecido un PLS donde la concentración de olor estimada viene dada por la ecuación 3:

sesion03 mcgutierrez02

Siendo y_est la concentración de olor estimada, x_iel valor ponderado de la concentración de cada familia de COVs estudiada, a la entrada y salida del biofiltro, y a_i, los coeficientes matemáticos construidos con el modelo multivariante en el cálculo de estimaciones.

Se ha validado el modelo representando los valores reales frente a los estimados de concentración de olor, observándose que el 100% de los valores (incluyendo entrada y salida) se encuentran dentro de un intervalo de confianza del 30% sobre la línea de pendiente unidad, lo cual informa sobre lo adecuado del modelo de estimación de los valores obtenidos. Además se ha realizado la calibración del modelo, obteniéndose una línea recta (y _estimada = 0,9508 · y_real + 1083) con un coeficiente de regresión r = 0,9751 y un valor de RMSEP = 2584. Se comprobó que el error del método de referencia (olfatometría dinámica) y el del modelo de regresión obtenido, eran del mismo orden de magnitud. Los valores normalizados de los coeficientes obtenidos (ecuación 1) muestran un mayor valor absoluto cuanto más influyentes son sobre la concentración de olor, destacando nuevamente las familias compuestos que tienen límites de detección más bajos, del orden de partes por trillón (ppt).

4. Conclusiones

Para optimizar la eficacia de eliminación de olores y COVs de un biofiltro, es de suma importancia el régimen de aireación del material compostable.

La utilización de la técnica GC-TOFMS ha permitido determinar compuestos con umbrales de detección del orden de ppt, factor determinante para poder estimar la concentración de olor en función de un grupo de compuestos químicos con bajo límite de detección.

La olfatometría dinámica y el GC-TOFMS permiten realizar el seguimiento del funcionamiento de un biofiltro a escala industrial siendo su utilización en modo complementario la forma más adecuada de trabajo. La determinación de grupos de familias con similar influencia sobre la varianza de la medida, permite minimizar el número de compuestos a analizar reduciendo costes y tiempo de análisis.

5. Bibliografía

Annon, 1999. Directive 1999/13/CE relative to the reduction of volatile organic compounds due to the use of organic solvents in some activities and plants. Off. J. Eur. Communities 85.
Nicell, J.A. 2009. Assessment and regulation of odour impacts. Atmos. Environ. 43, 196–206.
Van Groenestijn, J.W., Kraakman, N.J.R., 2005. Recent developments in biological waste gas purification in Europe. Chem. Eng. J. 113, 85–91.
Hort, C., Gracy, S., Platel, V., Moynault, L., 2009. Evaluation of sewage sludge and yard waste compost as a biofilter media for the removal of ammonia and volatile organic sulfur compounds (VOSCs). Chem. Eng. J. 152, 44–53.
ISO 10780, 1994. Stationary Source Emissions — Measurement of Velocity and Volume Flow Rate of Gas Streams in Ducts.
EN 13725, 2003. Air Quality — Determination of Odour Concentration by Dynamic Olfactometry. Comité Européen de Normalisation, Brussels.
Netherlands Emissions Guideline (NeR), 2003. Compost Production From Household Organic Waste (Chapter 3.3. G4).
Nagata, Y. 2013. Measurement of Odour Threshold by Triangle Odour Bag Method. Japan Environmental Sanitation Center ( http://www.env.go.jp/eu/air/odour/measure/, [Available at]).

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