Biofiltro percolador como tecnología para el control de emisiones industriales de COVs: estudio de viabilidad en casos reales

MartinezSoria   Las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COVs) en determinados sectores industriales se encuentran reguladas por normativas cada vez más restrictivas, siendo necesaria la implantación de tratamientos que permitan controlarlas. En los últimos años hemos trabajado en el escalado del proceso de filtro biopercolador (VOCUSTM) para su aplicación industrial, existiendo en la actualidad diversas empresas en Europa que ya utilizan esta tecnología para el control de sus emisiones.

  Este trabajo recopila los resultados de los casos de implantación de esta tecnología en diversos sectores industriales, con COVs de muy diferentes naturaleza, desde los muy solubles como es el caso de la industria flexográfica, pasando por mezclas de compuestos solubles e hidrófobos típicos de industrias de recubrimiento tanto del mueble como del automóvil, hasta el caso de eliminación del estireno emitido en la industria de fabricación de composites.

F. J. Álvarez-Hornos1, C. Lafita2, C. Gabaldón1, V. Martínez-Soria1*

1 Grupo GI2AM, Departamento de Ingeniería Química, Universitat de València. c/Universitat s/n, 46100 Burjassot, Valencia, Spain. * vmsoria@uv.es
2 Pure Air Solutions b.v., P.O. Box 135, 8440 AC, Heerenveen, The Netherlands.

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

   Editor académico: Carlos N Díaz.

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   Cita: F. J. Álvarez-Hornos, C. Lafita, C. Gabaldón, V. Martínez-Soria, 2017, Biofiltro percolador como tecnología para el control de emisiones industriales de COVs: estudio de viabilidad en casos reales, IV Conferencia Internacional sobres gestión de Olores y COVs en el Medio Ambiente, Valladolid, España, www.olores.org

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   ISBN: 978-84-697-7359-8

   Palabras claves:  Biodegradación; Evaluación económica; Emisiones al aire; Escala industrial; Unidad piloto; Eliminación de COVs.

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Resumen

   Las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COVs) en determinados sectores industriales se encuentran reguladas por normativas cada vez más restrictivas, siendo necesaria la implantación de tratamientos que permitan controlarlas. En los últimos años hemos trabajado en el escalado del proceso de filtro biopercolador (VOCUSTM) para su aplicación industrial, existiendo en la actualidad diversas empresas en Europa que ya utilizan esta tecnología para el control de sus emisiones.

  Este trabajo recopila los resultados de los casos de implantación de esta tecnología en diversos sectores industriales, con COVs de muy diferentes naturaleza, desde los muy solubles como es el caso de la industria flexográfica, pasando por mezclas de compuestos solubles e hidrófobos típicos de industrias de recubrimiento tanto del mueble como del automóvil, hasta el caso de eliminación del estireno emitido en la industria de fabricación de composites.

   Los sistemas se mostraron eficientes y robustos, con una buena adaptación a las variaciones propias de las emisiones reales, con sus paradas de producción, picos de emisión y permitiendo cumplir con los límites de emisión establecidos.

   Los costes de operación de este tipo de sistemas varió entre 0.6 y 1.8 € por año y por cada Nm3 h-1 tratado de efluente gaseoso, siendo muy inferiores a los obtenidos por las otras alternativas de tratamiento convencionales, como la combustión catalítica regenerativa. Los costes de inversión también suelen ser inferiores a los que presentan la mayoría de las alternativas convencionales. El menor impacto ambiental y las bajas necesidades en personal y asistencia externa son también factores ventajosos de esta tecnología.

 

1. Introducción

   Las legislaciones ambientales relacionadas con la preservación de la calidad del aire son cada vez más exigentes en las sociedades actuales. En ese sentido, los límites establecidos (Comisión Europea, 2009) para la de emisión de Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) procedentes de diversas fuentes industriales requieren en la actualidad de la instalación de tratamientos de eliminación, siendo las biotecnologías una alternativa emergente competitiva frente a las convencionales como la adsorción o la oxidación térmica regenerativa.

   En el presente trabajo se resumen los resultados de los últimos siete años de investigación relacionados con la implantación industrial de la tecnología de biofiltro percolador que han sido llevados a cabo en nuestro grupo de investigación. El estudio del funcionamiento de una unidad industrial en el control de las emisiones de una industria flexográfica en Massmond, Holanda (Sempere et al., 2012), de una de recubrimiento del mueble en Villa-real, España (Martínez-Soria et al., 2009; Palau et al., 2015; Lafita et al., 2012), así como el de una unidad piloto para las industrias de recubrimiento del automóvil en Soria, España (Álvarez-Hornos et al., 2011; Lafita et al., 2013), y de fabricación de composites en Oudenaarde, Bégica (Álvarez-Hornos et al., 2017) se puede utilizar para demostrar la viabilidad y conveniencia de esta biotecnología para el control de las emisiones de COVs de muy diferentes origen y naturaleza, desde los muy solubles hasta el caso de eliminación de estireno (hidrófobo) pasando por mezclas de compuestos solubles e hidrófobos.

 

2. Materiales y métodos

   Las plantas piloto (>0.6 m3) e industriales (>50 m3) estaban basadas en la tecnología de biofiltro percolador (VOCUSTM) desarrollada por la empresa Pure Air Solutions, Holanda (Fig 1).

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Fig 1. Esquema del Biofiltro Percolador y fotografía de la unidad instalada en Villa-real, España (cortesía de Gamadecor S.A.), con especificación de los diferentes componentes. La planta de Villa-real incluía con un prefiltro de carbón activado adicional para amortiguar los picos de emisión.

   Los flujos, temperaturas y concentraciones de entrada y salida, así como la conductividad, carga orgánica soluble y el pH del agua de recirculación y la pérdida de presión a lo largo del lecho de relleno, se midieron y controlaron de forma remota. Un sistema de dosificación de nutrientes permitía alimentar una solución que contenía fundamentalmente amonio y fosfato. Al menos dos veces al mes el tanque de agua de recirculación era drenado parcialmente, y rellenado con agua limpia. Para la puesta en marcha todos los sistemas fueron inoculados con un fango activo procedente de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales.

   Las plantas fueron operadas por periodos superiores a un año durante los estudios desarrollados. En el caso de las unidades industriales el periodo de uso ha superado los siete años de funcionamiento sin descenso de su eficiencia, lo que demuestra la robustez de la tecnología en su aplicación práctica.

 

3. Resultados y discusión

   En todas las instalaciones industriales estudiadas se caracterizaron los focos de emisión, determinándose los caudales, concentraciones y patrones de emisión, así como la composición de las emisiones de los diferentes focos de emisión. Como se puede apreciar de los valores incluidos en la Tabla 1, se estudió la eliminación tanto en fuentes con emisiones mayoritarias en compuestos muy oxigenados solubles, como acetona, etanol, acetatos ligeros, y que en general no muy difíciles de biodegradar (mueble y flexográfica), fuentes con una presencia importante en aromáticos ligeros (tolueno, xilenos, etilbenceno o estireno), como compuestos con mayor dificultad de degradación, e incluso fuentes con una presencia considerable de aromáticos pesados (C8+), especialmente recalcitrantes. También se encontraron diferencias notables en la concentración (oscilando entre los 200 y 500 mg C/m3) y en la variabilidad del patrón de emisión (con focos más estables y otros muy fluctuantes).

Tabla 1. Resumen de las principales características de las fuentes de emisión estudiados.

Industria

Mueble

Flexográfica

Automóvil

Composite

Focos

A

B

C

D

E

F

G

 
Caudal
(Nm3 s-1)
 

10000

12000

>5000

>5000

>5000

>5000

>5000

 
Concentración promedio
(mg C Nm-3)
 

200

550

450

250

200

250

100-300

Compuestos a)

Ordenados de mayor a menor proporción

BA

AL

IPA

Acetona

Etanol

Propanol

PA

MP

BA

AL

MMA

BA

AL

Butanol

BGA

EGBE

AP

BA

AL

Estireno

Patrón de emisión

16 h/d

5 d/sem

Fluctuante

16 h/d

5 d/sem

Muy Fluctuante

10h/d

5 d/sem

Fluctuante

24 h/d

5 días /semana

Variable pero poco fluctuante

24h/d

5d/sem

Variable poco Fluctuante

a) Acrónimos de compuestos: BA: acetato de butilo, AL: aromaticos ligeros (C 7-), PA: acetato de propilo, MP: metoxipropanol, MMA: acetato de metil metoxietilo, BGA: acetato de butilglicol, EGBE: etilenglicol monobutil éter, AP: aromáticos pesados (C8+).

 

Tabla 2. Condiciones de operación del biofiltro percolador en cada foco para cumplir con los límites de emisión establecidos. Periodos de operación/estudio superiores a un año.

 Industria

Mueble

Flexográfica

Automóvil

Composite

 Foco

A

B

C

D

E

F

G

 Tiempo de Residencia (s) –TR

20

80

30

30

45

75

35

 Eficacia eliminación, EE (%)

75

80

90

80

80

80

80

 Concentración promedio horaria salida (mg C Nm-3)

75

75

50-60

60

40

75

30-50

 

   Como se puede apreciar en la Tabla 2 en todos los casos fue posible encontrar condiciones de operación que permitían cumplir con los límites de emisión establecidos. Los sistemas se mostraron eficientes (EE > 75%) y robustos, con una buena adaptación a las variaciones propias de las emisiones reales, con sus paradas de producción (incluso de un mes) y picos irregulares de emisión. Las condiciones de operación más exigentes, con mayores tiempos de residencia (TR 40-80 s), se pueden relacionar con los patrones más variables, los compuestos más recalcitrantes y/o las mayores concentraciones de COVs, lo que indica la necesidad de una adecuada caracterización de las emisiones para un adecuado diseño del proceso. Los sistemas se mostraron eficientes y robustos, con una buena adaptación a las variaciones propias de las emisiones reales, con sus paradas de producción, picos de emisión y permitiendo cumplir con los límites de emisión establecidos.

 

Tabla 3. Costes estimados de inversión y de operación anuales en cada industria para el control de las emisiones de COV con Biofiltros y la opción convencional para alcanzar límites de emisión.

 Industria

Biofiltro percolador

Alternativa convencional c

 Costes: € / (Nm3 h-1)

Inversión a

Operación Anual b

Inversión

Operación Anual

 Mueble (A-B)

7.0-9.5

0.64-1.80

8.5

2.55

 Flexográfica

7.2

0.60

>11

>3

 Automóvil (D+E+F)

7.5

1.63

7.5

2.45

 Composites

10.0

0.71

11.0

2.27

a Cortesia de Pure Air Solutions. b Obtenida de estudios propios. c Estimada a partir de datos proporcionados por centro industrial: oxidación termoregenerativa/termocatalítica.

 

   En la Tabla 3 se puede encontrar la comparación de la viabilidad económica del biofiltro percolador frente a los tratamientos convencionales (oxidación termocatalítica y termoregenerativa). Tanto en los costes de inversión como de operación anuales presentaron resultados favorables al biofiltro percolador, especialmente en la operación donde se apreciaron reducciones de costes entre el 30% y el 80% respecto a la alternativa convencional (0.6-1.8 € Nm-3 h año-1 del biofiltro frente a los 2.3-3.0 € Nm-3 h año-1 de la alternativa de oxidación). Además de estas ventaja económicas, esta tecnología presenta un menor impacto ambiental, evitándose la emisión de al menos 4 kg de CO2 por Nm3 tratado, por la combustión de gas natural propia de los tratamientos de oxidación.

   En las unidades industriales, algunas operando durante más de siete años, se ha constatado la sencillez de funcionamiento de los biofiltros percoladores, lo que ha implicado unas bajas necesidades en dedicación del personal y en asistencia externa.

 

4. Conclusiones

   El biofiltro percolador se presenta como una tecnología viable para tratar emisiones industriales de COVs de muy diversas fuentes. Las condiciones de operación necesarias para alcanzar las eliminaciones deseadas son dependientes de múltiples factores tales como biodegradabilidad de los COVs, concentración y variabilidad de la emisión. Los costes de operación que presenta esta tecnología, inferiores a los de las convencionales, la convierten en una atractiva alternativa en este tipo de aplicaciones.

 

5. Agradecimientos

   Agradecimientos especiales por la colaboración y ayuda prestada a Pure Air Solutions, Ficomirror, Gamadecor, Exel Composites y Papierindustrie Maasmondo

 

6. Referencias

   Álvarez-Hornos, F.J., Martínez-Soria, V., Penya-roja, J.M., Lafita, C., Marzal, P. y Gabaldón, C. 2011. Evaluation of a pilot-scale biotrickling filter as a VOC control technology for the plastic coating sector. Biochemical Engineering Journal 58–59, 154–161.

   Álvarez-Hornos, F.J., Martínez-Soria, V., Marzal, P., Izquierdo, M. y Gabaldón, C. 2017. Performance and feasibility of biotrickling filtration in the control of styrene industrial air emissions. International Biodeterioration & Biodegradation 119, 329-335.

   Comisión Europea. 2009. Guidance on VOC Substitution and Reduction for Activities Covered by the VOC Solvents Emissions Directive (Directive 1999/13/EC) Final Report, Contract ENV/C.4/FRA/2007/001.

   Lafita, C., Penya-roja, J.M., Gabaldón C., y Martínez-Soria, V. 2012. Full-scale biotrickling filtration of volatile organic compounds from air emission in wood-coating activities. Journal of Chemical Technology and Biotechnology 87, 732-738.

   Lafita, C., Álvarez-Hornos, F.J., Gabaldón, C., Martínez-Soria, V. y Penya-roja, J.M. 2013. Cap. 20. Biotrickling filters for removal of volatile organic compounds from air in the coating sector. En: Air Pollution Prevention and Control: Bioreactors and Bioenergy. John Wiley & Sons, London.

   Martínez-Soria, V., Gabaldón, C., Penya-roja, J.M., Palau, J., Álvarez-Hornos, F.J., Sempere F. y Soriano, C. 2009. Performance of a pilot-scale biotrickling filter in controlling the volatile organic compound emissions in a furniture facility. Journal of Air and Waste Management Association 59, 998-1006.

   Palau, J., Izquierdo, M., Marzal, P. y Martínez-Soria, V. 2015. Coupling Adsorption and Biological Technologies for Multicomponent and Fluctuating Volatile Organic Compounds Emissions Abatement: Laboratory-Scale Evaluation and Full-Scale Implementation. Industrial & Engineering Chemistry Research. 54, 1703 – 1722.

   Sempere, F., Martínez-Soria, V., Penya-roja, J.M., Walkens A., y Gabaldón, C. 2012. Control of VOC emissions from a flexographic printing facility using an industrial biotrickling filter, Water Scienice & Technology, 65, 177-182.

 

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