Tratamiento de Efluentes Gaseosos mediante Biofiltración Anóxica

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sesion07 gomezmontesdeoca03   En este trabajo, se presenta la biofiltración anóxica de efluentes gaseosos como una alternativa viable para el tratamiento de gases contaminados y para la limpieza del biogás.

   En este trabajo se presentan los avances en esta temática.

 

F. Almengló* , P. Cano, J. Brito, M. Ramírez, D. Cantero y J. M. Gómez

Departamento de Ingeniería Química y Tecnología de Alimentos, Facultad de Ciencias, Universidad de Cádiz
Campus Universitario de Puerto Real, 11510 Puerto Real (Cádiz)

   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

   Cita: F. Almengló, P. Cano, J. Brito, M. Ramírez, D. Cantero y J. M. Gómez, 2015, Tratamiento de efluentes gaseosos mediante biofiltración anóxica, III Conferencia Internacional sobres gestión de Olores en el Medio Ambiente, Bilbao, España, www.olores.org

   Copyright: 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: 978-84-608-2262-2.

   Palabras clave: biofiltración anóxica, sulfuro de hidrógeno, biogás, biofiltro

Resumen

   La biofiltración anóxica de efluentes gaseosos se presenta como una alternativa viable para el tratamiento de gases contaminados, así como para la limpieza del biogás como paso previo a su utilización como biocombustible. En este trabajo se presentan los avances llevados a cabo por el grupo de investigación en relación a esta temática.

1. Introducción

   Las plantas de tratamiento de aguas residuales generan efluentes gaseosos que contiene compuestos reducidos de azufre, el sulfuro de hidrógeno (H2S) mayoritariamente, y trazas de otros compuestos que provocan un problema de contaminación ambiental por olor que se encuentra actualmente catalogado en la legislación ambiental. La eliminación de estos compuestos constituye una de las líneas que regula el Decreto 239/2011, de 12 de julio, por el que se regula la calidad del medio ambiente atmosférico y se crea un registro de sistemas de evaluación de la calidad del aire en Andalucía. Por tanto, ya no es una opción sino una obligación la que tienen todas aquellas instalaciones o empresas que generen contaminación por olores. Además, muchas de estas plantas producen biogás, el cual ha de ser desulfurado previo a su aprovechamiento energético para evitar la formación de óxidos de azufre. La emisión de óxidos de azufre y otros compuestos de azufre se encuentra regulada a nivel estatal por la Ley 34/2007, de 15 de noviembre, de calidad del aire y protección de la atmósfera.

   Estos compuestos reducidos de azufre no solamente hay que eliminarlos por cuestiones de salubridad sino también por razones técnicas (por su elevado poder corrosivo) y ambientales (su combustión genera óxidos de azufre). La desulfuración sostenible de gases con interés energético requiere de tecnologías capaces de tratar una amplia variedad de emisiones, en cuanto a caudales y concentraciones, de la forma más económica y efectiva posible en cada caso.

   Dentro de todas las tecnologías posibles, los biofiltros percoladores son una tecnología emergente, compacta y versátil que ha demostrado su viabilidad técnica y económica frente a los sistemas químicos, los cuales comportan unos elevados costes de inversión y operación. Pese a ello, existe un limitado conocimiento de los fenómenos que tienen lugar en los biorreactores y una todavía limitada aplicación a nivel industrial. Como consecuencia, la confianza del tejido industrial en cuanto a la instalación de este tipo de sistemas de tratamiento es insuficiente a día de hoy.

   En este sentido, la experiencia acumulada en los últimos 20 años del grupo de investigación de la Universidad de Cádiz, dentro de la línea “Biodesulfuración y Biofiltración de Efluentes Gaseosos” cuyo principal objetivo es la propuesta de alternativas tecnológicas viables para la minimización de estos residuos dentro del campo de la biotecnología ambiental, ha permitido obtener buenos resultados en todas las escalas desde laboratorio hasta instalaciones industriales para este tipo de tecnología.

   En este sentido, los biofiltros percoladores constituyen una tecnología emergente, compacta y versátil que ha demostrado su viabilidad técnica y económica frente a los sistemas químicos, los cuales presentan unos elevados costes de inversión y operación. Pese a ello, existe un limitado nivel de conocimiento de los fenómenos que tienen lugar en los biorreactores y una limitada aplicación de éstos a nivel industrial. Como consecuencia de ello, la confianza del tejido industrial en cuanto a la instalación de este tipo de sistemas es insuficiente.

2. Resultados

   Teniendo en cuenta estos antecedentes y la situación actual de este tipo de tecnologías, nuestro grupo de investigación se fijó como objetivo la optimización de los procesos de desulfuración del biogás mediante biofiltros percoladores anóxicos, a partir de la mejora del conocimiento de los procesos biológicos de oxidación del H2S en condiciones anóxicas.

   Para ello, el primer paso consistió en la caracterización de un biofiltro percolador anóxico alimentado con biogás a partir de reactores UASB, a nivel de laboratorio. Este sistema experimental nos permitió estudiar el efecto de distintas variables como la temperatura, el pH, el caudal de recirculación y la presencia de mercaptanos sobre la capacidad de eliminación en condiciones anóxicas de este tipo de biofiltros.

   Como resultado de este estudio, se fijó 30ºC como la temperatura óptima de operación ya que valores por debajo de éste provocaban una disminución gradual de la capacidad de eliminación. Igualmente, se estableció que los valores de pH cercanos a la neutralidad (7,4-7,5) son los que ofrecen mejores rendimientos de eliminación en este tipo de biofiltros.

   El estudio relativo a la influencia del caudal de recirculación se realizó empleando el mismo biofiltro con espuma de poliuretano de poro abierto como soporte. Se ensayaron valores del caudal de recirculación entre 40 y 200 L·h-1 (TLVs entre 2,3 y 20,6 m·h-1), el caudal de biogás se mantuvo en 1 L·h-1 (EBRT = 2,4 min) y se estudiaron cargas de H2S desde 40 hasta 201. Para caudales de recirculación mayores de 7,0 m·h-1 no se observó una disminución significativa, empleando cargas de hasta 157 gS-H2S·m-3·h-1. Valores por debajo de 7,0 m·h-1 si produjeron una disminución del porcentaje de eliminación llegando a valores cercanos al 80% para TLV de 2,3 m·h -1, por lo que se recomienda trabajar siempre con valores superiores a 7,0 m·h-1, para evitar una disminución de los porcentajes de eliminación.

sesion07 gomezmontesdeoca01Figura 1. Efecto de la velocidad de percolación de líquido (TLV) sobre el porcentaje de eliminación (RE). (Fernández et al. 2014)

   Cuando se trabajó con cargas de 201 gS-H2S·m-3·h-1, se observó que a valores por debajo de 15,0 m·h-1, comenzaba a notarse una disminución significativa en la eliminación.

   Al objeto de comparar el comportamiento del biofiltro con otro tipo de soporte, utilizado ampliamente a nivel industrial, se llevó a cabo el desarrollo y adaptación de un consorcio microbiano NR-SOB sobre anillos Pall para la degradación de H2S. En este caso, y con la experiencia adquirida en el soporte anterior, sólo se estudiaron aquellas variables cuya influencia se veía afectada por las características del soporte como son: caudal de recirculación de nutrientes y la carga de alimentación de H2S.

   Así en este biofiltro cuando se trabajó con cargas de alimentación menores de 78,4 gS-H2S·m-3·h-1, no se observó variación significativa de la eliminación; mientras que cuando se usó una carga de alimentación de 201 gS-H2S·m-3·h-1, si se observó una disminución en la eliminación, llegando hasta valores menores del 80% del TLV por debajo de 5 m·h-1; lo que sugiere que se trabaje siempre con TLV encima de 15 m·h-1 para evitar que este parámetro influya en la eficiencia del proceso.

   Al mismo tiempo, se ha realizado el seguimiento de poblaciones bacterianas en los biofiltros mediante la caracterización por DGGE. Una vez obtenido el patrón de bandas, se seleccionaron las de mayor relevancia y se procedió a la extracción del producto de PCR. Después de secuenciar mediante ADN Biosystem 3730XL, las secuencias obtenidas se compararon en la base de datos de GenBank de la NCBI. Del total de muestras analizadas, se pudo determinar a nivel de género y especie, con un 99% de identidad; Thiobacillus sp. y Thiomonas intermedia K12, respectivamente. Inicialmente se esperaba encontrar poblaciones de Thiobacillus denitrificans y Sulfurimonas denitrificans y realizar FISH para diferenciar entre ambas. Dado que sólo se encontró Thiobacillus no fue necesaria la realización de esta técnica.

   Con toda la información obtenida a nivel de laboratorio, se procedió al diseño, construcción y montaje de un biofiltro percolador anóxico a escala piloto que se instaló en la EDAR “UTE Bahía Gaditana”, siendo alimentado con biogás procedente de los digestores anaerobios de esta planta. Dado que a nivel de laboratorio los datos correspondientes a capacidades de eliminación máximas (ECmax) y críticas (ECcrit) son bastantes similares para ambos soportes, se seleccionó para validar el sistema el soporte del que se disponían más datos, siendo en este caso, la espuma de poliuretano.

sesion07 gomezmontesdeoca02Figura 2. Biofiltro percolador anóxico a escala piloto.

   El primer paso fue encontrar las condiciones óptimas para la inoculación y formación de la biopelícula, y se determinó que durante el arranque no se debe superar una carga de entrada superior a 100 gS-H2S·m-3·h-1 y se debe controlar el pH del medio de recirculación a 6,8. Además, la adición suplementaria de nutrientes mejoraba el crecimiento de la biopelícula y favorecía la oxidación completa a SO42-. Igualmente, la dosificación automatizada de nitrato, mediante la medida del potencial redox, permitió evitar el agotamiento del nitrato y, por tanto, la acumulación del sulfuro en el medio de recirculación.

   Posteriormente, una vez optimizadas las condiciones de arranque, se procedió al estudio de la concentración de nitrato, el caudal de biogás (1-5 m3·h-1) y el caudal de recirculación de líquido (1-3 m3·h-1) sobre el porcentaje de eliminación (RE) de H2S. Los mejores resultados se obtuvieron con un caudal de recirculación de 3 m3·h-1, siendo necesaria una concentración mínima de nitrato de 10 mg N-NO3-1·L-1 para alcanzar RE mayores del 95%. Fue posible tratar valores de carga más altos, manteniendo el RE, aumentando la concentración de nitrato en el medio: 35 mg N-NO3-1·L-1 para IL hasta 90 gS-H2S·m3·h-1 y 95 mg N-NO3-1·L-1 para IL de hasta 110 gS-H2S·m-3·h-1. La ECCRIT fue de 106 gS-H2S·m-3·h-1 (RE 98%) para un caudal de biogás de 3 m3·h-1.

   Igualmente, se realizaron estudios comparativos de la operación del equipo en dos modos de flujos: en contra-corriente y paralelo. Los valores de EC CRIT fueron de 56 y 33 gS-H2S·m-3·h-1 (99% de eliminación) para contra-corriente y paralelo, respectivamente; las ECMAX fueron 140 (RE 84%) y 118 gS-H2S·m-3·h-1 (RE 80%) para los modos de contra-corriente y paralelo, respectivamente. El rendimiento de la operación en contra-corriente fue un poco mejor y se observó una redistribución de los perfiles de biomasa y azufre elemental acumulado a lo largo del lecho después de 60 días de operación en paralelo. Por ello, una estrategia adecuada puede ser la alternancia entre ambos modos de flujo para evitar las acumulaciones de biomasa y azufre elemental, debiendo ser contrastada dicha hipótesis con una operación a largo plazo.

   Con estos estudios, se dio por finalizada la etapa de validación de resultados obtenidos a escala de laboratorio para la operación en planta piloto; y se ha comenzó la fase de modelado de los resultados obtenidos. A día de hoy, disponemos de un modelo matemático dinámico capaz de simular el comportamiento de la biofiltración anóxica en distintas condiciones y estrategias de operación. El modelo desarrollado fue el resultado de la realización del balance de materia al lecho y al volumen de recirculación. Considera los fenómenos más importantes que se producen en la operación de un biofiltro percolador: advección, absorción, difusión y biodegradación.

Referencias

1. Montebello, A.M., Fernández, M., Almenglo, F., Ramírez, M., Cantero, D., Baeza, M., Gabriel, D. Simultaneous methylmercaptan and hydrogen sulfide removal in the desulfurization of biogas in aerobic and anoxic biotrickling filters”. Chemical Engineering Journal, 200–202: 237-246. 2012.

2. Fernández, M., Ramírez, M., Pérez, R.M., Gómez, J.M. and Cantero, D. “Hydrogen sulphide removal from biogas by anoxic biotrickling filter packed with Pall rings”. Chemical Engineering Journal, 225:456-463. 2013.

3. Fernández, M., Ramírez, M., Valle, A., Gómez, J.M. and Cantero, D. “Hydrogen biogas biodesulphuration under anoxic conditions in a biotrickling filter packed with open-pore polyurethane foam”. Journal of Hazardous Materials, 264:529-535. 2014

4. Ramírez, M., Almenglo, F., Fernández, M., Gómez, J.M. and Cantero, D. “Bio-desulphurisation of H2S – Bearing Industrial Gas Streams”. In Biohydrometallurgycal Processes: A practical approach, (Eds.) Luis Gonzaga Santos Sobral, Débora Monteiro de Oliveira e Carlos Gomes de Souza. pp. 271-290. 2011. ISBN: 978-85-61121-85-3.

5. Cabrera, G., Ramírez, M. and Cantero, D. “Bioreactors -Design | Biofilters”. In Comprehensive Biotechnology, second edition, (Ed.) M.-Y. Murray, Vol. 2, Elsevier B.V, pp. 303-318. 2011.

6. Almenglo, F., Ramírez, M., Gómez, J.M., Cantero, D., Gamisans, X. and Dorado, A.D. “Modeling and control strategies for anoxic biotrickling filtration in biogas purification”. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (en revisión). 2015.

7. Almenglo, F., Ramírez, M, Gómez, J.M. and Cantero, D. “ Operational conditions for start-up and nitrate-feeding in anoxic biotrickling filtration at pilot scale”. (en revisión)

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