tratamiento biológico de compuestos orgánicos

ARTÍCULO
DE
REFLEXIÓN
TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS
ORGÁNICOS VOLÁTILES: DIMENSIONAMIENTO
DE UN SISTEMA DE BIOFILTRACIÓN DE GASES
TRATAMIENTO
BIOLÓGICO
Astrid Altamar Consuegra*
RESUMEN
ABSTRACT
Este artículo tiene como objeto presentar las principales consideraciones de diseño para un sistema de
biofiltración a escala banco que se implementará en
las instalaciones del Laboratorio Ambiental de la Universidad Libre Sede Bogotá. Se seleccionaron las propiedades más representativas de los compuestos orgánicos volátiles (COV´s) y teniendo en cuenta éstas,
se dimensionaron el biofiltro y los equipos necesarios
para suministrar la corriente de aire contaminada con
COV. El sistema de biofiltración cuenta con un biofiltro
de 4” de diámetro y 80 cm de longitud efectiva, el
caudal a manejar es de 181 litros/h (a condiciones
estándar de 1 atm y 298 K) con una concentración de
1000 ppm de COV.
The objective of this article is to show the main considerations to design a bench scale biofiltration system
to be implemented in the Environmental Laboratory facilities of the Universidad Libre, Bogotá Campus. The
most representative properties were chosen for Volatile Organic Compounds (VOC), and they were used to
size the biofilter and the equipment required to supply
the COV contaminated air stream. The biofiltration
system counts with a 4” diameter by 80 cm effective
length biofilter, to manage a volumetric flow of 181
liters/h at 1 atm and 25oC, with a concentration of
1000 ppm of VOC.
PALABRAS CLAVE
Biofiltration, Volatile Organic Compound, VOC’s, Biological Degradation, Biofilm, Atmospheric Contamination.
Biofiltración, Compuesto orgánico volátil, COV´s, Degradación biológica, Biopelícula, Contaminación atmosférica.
KEY WORDS
Fecha de recepción del artículo:
Fecha de aceptación del artículo:
Ingeniera Química, Magíster en Ingeniería Química. Docente Investigador Universidad Libre.
116
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6
Entre esos contaminantes se encuentran los compuestos orgánicos volátiles (COV´s) considerados
como contaminantes peligrosos del aire causantes
de efectos nocivos e irreversibles sobre la salud. La
formación del ozono troposférico es un fenómeno provocado por una serie compleja de reacciones en la
atmósfera en las cuales los COV´s reaccionan con los
óxidos de nitrógeno en presencia de luz solar, causando efectos adversos en el hombre, la fauna, la flora y
en algunos materiales no biológicos como fibras textiles, colorantes y en algunos casos pinturas.
Ante este panorama, resulta necesaria la implementación de tecnologías que permitan la remoción de
los contaminantes del aire. Una de las alternativas
disponibles y que desde mediados de los 80’s1 se
viene utilizando en Europa es la biofiltración.
La biofiltración consiste en hacer pasar una corriente
aire a través de un material filtrante tal como compost, suelo, roca volcánica etc. en el cual se encuentran alojados ciertos microorganismos, capaces de
degradar los compuestos orgánicos hasta CO2 y vapor de agua.
Los biofiltros constituyen una alternativa altamente
eficiente y de bajo costo en comparación con otras
opciones como oxidación térmica, incineración catalítica o adsorción sobre carbón. Otra ventaja del uso
de procesos biológicos son los requerimientos bajos
de energía y la poca generación de otros problemas
ambientales adicionales como es el transferir el contaminante a otro medio que debe disponerse.
Actualmente, se está diseñando un sistema de biofiltración a escala banco para remoción de COV´s que
será instalado en el Laboratorio Ambiental de la Facul-
1
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
El proceso de biofiltración está basado en el metabolismo de los microorganismos, quienes utilizan los
COV´s como fuente de energía y/o carbón. Inicialmente ocurre la reacción de oxidación (catabolismo), donde los compuestos orgánicos volátiles de alto peso
molecular son oxidados a compuestos de bajo peso
molecular. La reacción completa produce dióxido de
carbono y vapor de agua, pero si no se completa la reacción es posible que se formen compuestos intermedios que hay necesidad de remover. Adicionalmente el
CO2 en el gas residual sirve como una fuente de carbón para el anabolismo y así crear nuevas células.
Los microorganismos se encuentran en una película
líquida formada alrededor de las partículas del material
filtrante llamada “biofilm” tal como se muestra en la
Figura No. 1, los contaminantes llegan a allí por un mecanismo de transferencia de masa entre la fase líquida
y vapor. Los COV´s deben ser fácilmente solubles en el
biofilm para que así estén disponibles para los microorganismos ya que la degradación de los mismos ocurre
en la fase líquida o biofilm. (Ver figura 2).
No solamente los contaminantes difunden en el biofilm, también lo hacen el oxígeno, dióxido de carbono
y otros posibles compuestos volátiles bajo la influencia de gradientes de concentración. Para cuantificar
esta difusión se ha establecido la ley de Fick:
⎛ ∂C ⎞
J = D⎜
⎟
⎝ ∂Z ⎠
J: Flujo de difusión
D: Coeficiente de difusión del compuesto difundiendo.
BIOLÓGICO
Durante las últimas décadas ha crecido el interés
mundial por la problemática ambiental alrededor de
la contaminación del aire y la degradación de los compuestos causantes de efectos nocivos cobra cada día
más importancia.
tad de Ingeniería de la Universidad Libre Sede Bogotá
y que permitirá hacer estudios sobre los principales
COV´s generados por diferentes fuentes de emisión.
TRATAMIENTO
INTRODUCCIÓN
Z: Dirección de la difusión.
∂C Gradiente de concentración en la dirección de
:
∂Z la difusión.
Van Lith, Chris, Leson Gero. Evaluating Design Options for biofilters. J. Air & Wate Managa. Assoc. 47:37-48. 1997
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6
117
Figura 1. Representación esquemática del biofilm
alrededor de la partícula del medio filtrante.
diante la limitación de un componente, por ejemplo,
los nutrientes (nitrógeno y fósforo). La biomasa producida se separa continuamente.
Consideraciones para el dimensionamiento de un
sistema de biofiltración.
Biofilm
Los principales componentes para un sistema de biofiltración incluyen el preacondicionamiento de la corriente gaseosa, humidificación, distribución del gas
de entrada y material filtrante.
Material
filtrante
Flujo de gas
•
Figura 2. Modelo biofísico para el biofilm: transferencia
de masa desde la fase vapor hasta la fase líquida.
TRATAMIENTO
BIOLÓGICO
Gas
Biofilm
La principal reacción que tiene lugar en el biofiltro
puede formularse de la siguiente manera:
CO2 + H2O + COV
+ agua + minerales
microorganismos
+ Sales inorgánicas
microorganismos
nuevos + residuos
poliméricos +
biomasa muerta
De acuerdo a esta reacción si se hace llegar la biofiltro un flujo constante del sustrato y nutrientes, se
produce un crecimiento exponencial de los microorganismos. A fin de mantener un estado estacionario, el
crecimiento ha de controlarse desde el exterior me-
2
118
La temperatura de operación también es otro
factor a considerar, la reacción de oxidación
biológica es altamente exotérmica por lo que se
presenta evaporación de la humedad del filtro
durante la operación causando un incremento
en la temperatura del reactor. Dado que los
principales microorganismos activos en un biofiltro
son las bacterias mesofílicas, que ejercen bien
sus funciones en el rango entre 5 y 50°C (con
una temperatura óptima de alrededor de 37°C) un
incremento exagerado de la temperatura inhibiría
su actividad metabólica llegando a ser mortal
para las bacterias. La temperatura óptima de
operación de un biofiltro se encuentra entre 20
y 40°C y es importante mantenerla no sólo para
no afectar el hábitat de los microorganismos sino
también porque altas temperaturas disminuyen
la solubilidad de los COV´s en el agua, es decir
habría poca disponibilidad del contaminante y por
ende una baja eficiencia de remoción.
Material
filtrante
COV + Gases inorgánicos + O2
Preacondicionamiento de la corriente de gas:
partículas como polvo, grasas, aceites pueden
llegar a obstruir los poros del material filtrante o el
sistema de distribución de aire; es por esto que es
necesario ubicar equipos de control de partículas
como son los lavadores, filtros de tela o cualquier
otro que evite la entrada de este tipo de material
al biofiltro.
•
Humidificación2: El contenido de humedad del material filtrante es fundamental para la supervivencia y metabolismo de los microorganismos. Las
estrategias para asegurar un porcentaje de hu-
Ottengraf, S. P. P. and Van Den Oever. Kinetics of organic compound removal from waste gases with a biological filter. Biotechnology and
Bioengineering, Vol 25, 3089-3102, 1983
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6
•
Sistema de distribución del aire: la principal función
de este sistema es dispersar homogéneamente el
aire a través del lecho filtrante para esto se utiliza
materiales como grava o tuberías perforadas para
evitar la canalización.
Material filtrante: los lechos filtrantes más
utilizados son el suelo y el compost obtenido
a partir de lodos activados, madera y otros
materiales de origen orgánico. Las consideraciones
más importantes en la selección de un material
filtrante son. El tamaño de partícula, distribución
y estructura de los poros ya que debe proveer una
alta área superficial para la población microbial.
Un material filtrante con un alto contenido orgánico
es recomendable ya que también posee una alta
concentración de nutrientes y evita la adición de
nutrientes al biofiltro. Se requiere también que
exista una baja caída de presión a través del
lecho esto se logra añadiendo a algunos filtros
como el suelo, que tienen una gran tendencia a la
compactación, materiales de soporte estructural
como la cascarilla de arroz, esferas de polietileno,
o trozos de madera que le dan una mayor porosidad
al lecho.
La elección del material filtrante no es un trabajo
fácil debido a que si sus características propias no
son suficientes para proporcionar un crecimiento
microbiano óptimo, la necesidad de mejorar estas
características por medios artificiales puede tener
un impacto adverso en los costos de inversión y
funcionamiento de la instalación.
Los siguientes criterios podrían tenerse en cuenta
para la escogencia de materiales para biofiltración:
3
4
Contenido inorgánico de nutrientes.
•
Volumen total.
•
Contenido de agua.
•
pH
•
Volumen hueco.
•
Área superficial intrínseca.
•
Propiedades mecánicas.
•
Emisión de olores
•
Costo del empaque y tiempo de vida.
DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA
DE BIOFILTRACIÓN
El sistema de biofiltración (Ver Figura 3) para remoción de compuestos orgánicos volátiles consiste en:
•
Biofiltro: basados en una carga superficial de
contaminante recomendada por la literatura de
30 m3/m2h para biofiltros removiendo COV´s3 y
seleccionando un caudal de operación igual a 240
litros/ hora (a condiciones de 560 mmHg y 18oC),
se calcula el volumen del lecho filtrante a utilizar.
El volumen calculado es igual a 0.008 m3, con un
tiempo de residencia del aire en el biofiltro de 120
segundos. Teniendo en cuenta la caída de presión
que pudiera presentarse en el lecho y el tipo de
medio filtrante a utilizar (compost) se seleccionó
una altura del lecho de 80 cm y por ende el
diámetro del reactor debería ser aproximadamente
de 11 cm.
Un sistema de distribución de agua se instalará
en la parte superior del filtro, para mantener el
lecho filtrante en el rango de humedad deseado.
Como la zona de entrada de aire contaminado al
biofiltro es la de más alta actividad biológica4 se
determinó utilizar un biofiltro de flujo descendente
BIOLÓGICO
•
•
TRATAMIENTO
medad adecuado consisten en humidificar el aire
de entrada al biofiltro y adicionalmente permitir la
entrada de agua, en forma esporádica, para así
contrarrestar el calor generado por la reacción.
Generalmente el aire de entrada debe tener una
humedad relativa superior al 95% y la entrada de
agua al biofiltro se realiza por medio de boquillas
instaladas en la parte superior del reactor.
Deshusses, Marc, Devinny Joseph. Biofiltration for Air Pollution Control. Lewis Publisher, Wahington, 1999.
Silva, J. Influencia de la humedad y carga superficial en la eficiencia de remoción de H2S en un biofiltro tipo compost. Universidad del
Valle, 1999.
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119
Figura 3. Diagrama esquemático de un sistema de biofiltración a escala banco.
y de esta manera poder contrarrestar de mejor
manera la pérdida de humedad.
•
Balance de materia: se realizó un balance de
materia para hallar el aire de dilución necesario para
obtener la concentración de contaminante deseada.
Las variables de diseño las constituyeron:
BIOLÓGICO
Caudal de aire a manejar de 240 litros/h (181 litros/h en base seca a 298K y 1 atm de presión).
TRATAMIENTO
Concentración de contaminantes: se seleccionó
una concentración de 1000 ppm, se estableció de
esta forma ya que rangos de COV`s entre 30-3000
ppm se han publicado5 como las concentraciones
típicas de industrias de solventes, que son
las principales generadoras de este tipo de
contaminantes.
En la figura 4 se presenta un diagrama de bloques
que esquematiza el proceso de biofiltración de compuestos orgánicos volátiles, las unidades I, II y III representan los procesos de saturación con agua, saturación con solvente y mezclado respectivamente.
5
120
El caudal de aire seco (Qs) en la corriente 6 (Qs6)
es igual a 181 litros/hora y se considerará igual a
Qs1 asumiendo que las pérdidas son despreciables
a lo largo de todo el proceso y que el agua y el
solvente evaporado no modifican sustancialmente
el flujo volumétrico.
En la corriente 5 se halla la concentración de saturación del COV en aire igual a 5.03 x 10-3 gmol/litro,
esto se realizó tomando como referencia una presión
de vapor de 0.12 atm, el cual es un valor típico para
COV´s. Haciendo un balance de contaminante en III
tenemos:
Y5 x Qs5 = Y6 x Qs6
Y5 = 0.14 litros COV/litros aire seco.
Qs6 = 181 litros/hora
Y6 = 1 x 10-3 litros COV/litros aire seco.
El caudal de aire seco en la corriente 5 (Qs5) es
igual a 1.29 litros/h.
De la Fuente, Daniel y Gutiérrez Fernando. Optimización de sistemas de destrucción de COV’s. Ingeniería Química, 1998. p 151-158.
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∆H = Diferencia de humedades.
Figura 4. Diagrama de bloques para el proceso de
biofiltración de gases.
H1 = Humedad del aire a la entrada del
humidificador.
H2 = Humedad del aire a la salida del
humidificador.
ρ = Densidad del aire = 0.8878 kg/m3
Qs2 = Caudal de aire a humidificar = 0.179 m3/h
θop = tiempo de operación = 24 horas.
Haciendo un balance de materia en III:
•
Sistema humidificador de aire: puesto que la
entrada de aire al biofiltro debe tener una humedad
relativa mayor al 95%, se seleccionó un recipiente
burbujeador de aire sobre una columna de líquido
para lograr la transferencia de masa del agua de la
fase líquida a la fase vapor. El sistema burbujeador
es de vidrio sinterizado conocido como microbujía
filtrante con tubo estrecho, cuyo valor del diámetro
del poro para distribución de gases en líquidos
está en el rango de 100-160 µm.
•
Generación de la corriente de aire con COV: para
lograr una corriente de aire con la concentración
de contaminante adecuada, se seleccionó un
burbujeador de aire en COV, de características
similares al humidificador. La capacidad del
recipiente burbujeador se determinó hallando la
humedad de saturación del solvente en aire a
temperatura ambiente (18oC). Se seleccionó un
COV con una presión de vapor igual a 0.12 atm
como representativo de los contaminantes a
degradar. El aire a la entrada no contiene solvente,
a la salida se halló la humedad de saturación del
COV en aire a partir de su presión de vapor, por
consiguiente:
La capacidad del recipiente de agua se determinó
teniendo en cuenta la humedad relativa del aire
entrante. La humedad relativa en Bogotá es de
70% y se quiere obtener un aire con una humedad
relativa del 100%. Teniendo en cuenta que la
temperatura promedio es de 18oC y haciendo uso
de la carta psicrométrica, se determina la humedad
absoluta a la entrada y salida del burbujeador. Con
este valor, la densidad del aire húmedo y el caudal
de aire se halló el volumen de agua absorbido.
VS = Volumen del recipiente con solvente.
H1 = 0.008 kg agua/kg aire seco
∆H = Diferencia de humedades.
H2 = 0.013 kg agua/kg aire seco
H1 = Humedad del COV en aire a la entrada.
VH = ∆H x ρ x Qs2 x θop
VH = Volumen del humidificador.
H 2 = 0,474
kgCOV
kgas
VS = ∆H x ρ x Qs4 x θop
TRATAMIENTO
Se calcula Qs3 = 179.71 litros/h el cual es el
caudal de aire necesario para diluir la corriente
de aire saturado con solvente hasta obtener
concentraciones de 1000 ppm en el caudal de
operación.
BIOLÓGICO
El volumen calculado es 0.019 litros de agua
absorbida por el aire durante 24 horas de
operación. Se seleccionará un recipiente de 1
litro con dimensiones de 7 cm de diámetro y 60
cm de altura aproximadamente. Las anteriores
dimensiones están dadas para favorecer la
transferencia de masa al ascender la burbuja de
aire por la columna de agua.
Qs5 + Qs3 = Qs6
H2 = Humedad del COV en aire a la salida.
ρ = Densidad del aire = 0.8878 kg/m3
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Qs4 = Caudal de aire a saturar con solvente
= 1.29 x 10-3 m3/h
θop = tiempo de operación = 24 horas.
El volumen calculado es de 0.013 litros. Se
seleccionará un recipiente de 500 ml de capacidad
con dimensiones de 5cm de diámetro y 40 cm
de altura. Las anteriores dimensiones están
dadas para favorecer la transferencia de masa
al ascender la burbuja de aire por la columna de
COV.
•
Dimensiones del mezclador: para mezclar adecuadamente los gases antes de entrar al biofiltro, se
determinaron las dimensiones de un mezclador en
el cual se homogenizaron las corrientes de aire
humidificado y con COV. De acuerdo a estudios
previos6 se ha determinado que el tiempo ideal
de mezclado de los gases es de 4.5 segundos.
Teniendo en cuenta lo anterior y con el valor de
caudal de operación se halló la capacidad del
recipiente mezclador:
VM = τ x Qs6
VM = volumen del mezclador.
τ = tiempo ideal de contacto.
TRATAMIENTO
BIOLÓGICO
Qs6 = caudal de operación.
El volumen del mezclador es de 600 cc. Si consideramos que es un cilindro y suponemos que la altura
es dos veces el diámetro entonces las dimensiones
del mezclador son de 8 cm de diámetro y 16 cm de
altura.
En la Tabla No. 1 se resumen las dimensiones de
cada uno de los equipos que componen el sistema
de biofiltración.
6
122
Tabla 1. Dimensiones de los equipos que
componen el sistema de biofiltación.
Equipo
Dimensiones
Diámetro/Altura
Volumen
Biofiltro
4”/80 cm
8 Lt
Burbujeador
Agua
7 cm/60 cm
0.05 Lt
Burbujeador
Solvente
5 cm/40 cm
0.034 Lt
Mezclador
8 cm/16 cm
0.6 Lt
El reactor biológico de flujo pistón a escala banco,
se diseñó teniendo en cuenta recomendaciones de la
literatura donde se presentan experimentaciones con
diferentes COV´s, se espera hallar las capacidades
de eliminación para el contaminante o grupo de contaminante específicos a tratar y con esta información
escalar el biofiltro teniendo en cuenta el conocimiento
del fenómeno de biodegradación involucrado.
CONCLUSIONES
Los compuestos orgánicos volátiles son considerados
contaminantes peligrosos del aire, por lo cual tecnologías como la biofiltración constituyen una alternativa a
la eficiente remoción de dichos contaminantes.
La biofiltración resulta eficiente siempre y cuando se
traten altos caudales de aire y bajas concentraciones
de contaminantes que sean altamente solubles en
agua, como lo son la mayoría de los compuestos orgánicos volátiles.
El diseño del sistema de biofiltración realizado y la
selección del material filtrante representa una alternativa de solución de bajo costo al alcance de industrias
que durante sus procesos de producción emiten al
aire estos contaminantes peligrosos.
Martínez, Alvaro y otros. Diseño y construcción de un biofiltro a escala piloto para el tratamiento de olores y COV’s. ECOPETROL
– Instituto Colombiano de Petróleo.
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