La emisión y exposición a los Compuestos Orgánicos Volátiles generan impactos en el ambiente. Las comunidades que viven en áreas cercanas a plantas de producción química o diversas áreas industriales, en donde se presenta una alta concentración de estos compuestos, pueden desarrollar enfermedades a través de la inhalación afectando el sistema respiratorio(Colman Lerner et al., 2012), disminución de la calidad de vida de las personas y daños al entorno, de ahí la importancia de efectuar un manejo integral para la emisión de estos COV’s.
En la actualidad, existen diferentes procesos para el tratamiento de los COV’s, tales como los procesos químicos y físicos(YOON et al., 2002), los cuales generan grandes eficiencias de remoción, pero un alto costo en cuanto a la inversión de la tecnología, el mantenimiento y la posibilidad de emisión de contaminantes secundarios(Forero et al., 2018). Por esto una alternativa de bajo costo y eficiente, con la capacidad de remoción de compuestos orgánicos volátiles son los sistemas de biofiltración. Este sistema comenzó, a finales de los años 50’s, utilizando microorganismos para el tratamiento de corrientes gaseosas contaminadas(Belaissaoui et al., 2016), el primer biofiltro fue patentado por Pomeroy en 1957 y consistía en lechos de suelo con sistemas de distribución de aire. Alrededor de los años 60’s se propuso que los lechos de suelo fueran utilizados para la remoción de contaminantes gaseosos provenientes de plantas de tratamiento de aguas. En los 70’s, se realizaron aplicaciones industriales, mejoras en el diseño y los materiales de empaque. Los holandeses fueron los pioneros en el tratamiento biológico de gases residuales y en el desarrollo de programas relacionados con sistemas de biofiltración en las universidades, que posteriormente dio origen a la primera compañía dedicada a la biofiltración llamada, Clair-Tech. En Europa, los biofiltros han sido usados ampliamente, mientras que en Estados Unidos y México se está incluyendo esta tecnología asociada con el surgimiento de la legislación relacionada con el control de las emisiones de contaminantes a la atmósfera(IBARRÍA, 1999).
En el presente trabajo se realizará una revisión bibliográfica, donde se presentará la producción de COVs en las industrias y la biofiltración como una alternativa para la remoción de compuestos orgánicos volátiles, así como su funcionamiento, ventajas, desventajas, costos y hacia dónde se dirige las investigaciones sobre los biofiltros.
Producción de COV'S en la industria
En las industrias los compuestos orgánicos volátiles son liberados en grandes cantidades a la atmósfera, suelo y agua causando daños al ambiente. Gran parte de los COV’s generados en las industrias son sustancias tóxicas como lo son el benceno, tricloroetileno, pineno, metanol, etanol, nitrobenceno, tolueno y cloroformo (YOON et al., 2002). Estas corrientes de aire cargadas con COV’s se han venido tratando con diferentes procesos, como la combustión, oxidación catalítica y térmica, absorción, adsorción, osmosis inversa y la ozonización (YOON et al., 2002), los cuales son una alternativa eficiente, pero requieren equipos que generan costos altos de funcionamiento(Forero et al., 2018).
Una de las fuentes generadores de COVs que han venido en aumento a nivel mundial, ha sido la industria avícola, la cual ha tenido creciendo anual bastante importante, por ejemplo, en Colombia en el primer trimestre del 2018 hubo un incremento de 6.7% con respecto al mismo trimestre del año pasado (FENAVI, 2019). Este incremento en la demanda y la oferta en esta industria, generan unas intensificaciones de los olores y COVs asociados a todos los procesos que se llevan a cabo y de los cuales no se mitigan en gran parte en esta industria.
Los Aldehídos, hidrocarburos halogenados aromáticos son los contaminantes más comunes de la familia de los compuestos orgánicos volátiles industriales(Garcia, 2009). Respecto a los COV´s, las principales categorías generadoras de estos compuestos son la refinería de petróleo, aceite de producto, y distribución de disolventes, decoración arquitectónica y equipos mecánicos, que representan los principales contribuyentes(Qiu et al., 2014).
Biofiltración
La biofiltración es un método de eliminación de contaminantes por medio de la adsorción, el cual limpia el aire por medio de capas o material capaz de recoger la carga contaminante de la corriente gaseosa. Anteriormente los sistemas de biofiltración eran utilizados para eliminar olores y sustancias orgánicas, pero su aplicación ha venido aumentando y se ha comenzado a utilizar en la eliminación de compuestos orgánicos volátiles(Cabeza et al, 2013).
Para la degradación de los COV’s por el método de filtración se deben tener en cuenta condiciones como la humedad, temperatura, pH, tasa de entrada de contaminantes y COV’s(Forero et al., 2018; YOON et al., 2002). Esta técnica de filtración se basa en el intercambio que se produce entre la fase gaseosa del contaminante y la actividad microbiana que degrada y retiene el contaminante en un soporte sólido. Los COV´s constituyen las principales fuentes de carbono y energía para el metabolismo de las bacterias aerobias que se transforman en dióxido de carbono, agua y biomasa. En el interior del biofiltro los gases residuales se dirigen a través de la cama del filtro sobre una solución de nutrientes acuosa, que se distribuye periódicamente aumentando el contenido de nutrientes de la película superficial y recubriendo las partículas del lecho. Este contribuye al crecimiento de los microorganismos y a la formación del biofilm en el que se da lugar la reacción de degradación(Delhoménie et al., 2002). En la imagen.1 se muestra un biofiltro típico para eliminación de contaminantes en corrientes de aire.
Según los reportes previos sobre las eficiencias de eliminación de los biofiltros, para los sistemas que usan materiales biológicos, artificiales o en combinación, se reportan eficiencias por encima del 90%, en donde realizan eliminación de contaminantes hidrófilos y por encima del 80% para contaminantes con características hidrófobas, debido a que este tipo de lechos, realizan el proceso de eliminación y degradación por medio de una película de agua, en el cual se encuentran los microorganismos degradadores de os compuestos orgánicos volátiles.
- Medio filtrante
Actualmente se han desarrollado diversos estudios relacionados con los materiales de filtración, los cuales pueden ser artificiales y orgánicos, dentro de los cuales podemos encontrar: compost; tierra; turba; astillas de madera; y esferas de poliestireno (Rojas, 2013).
Dentro de los materiales filtrantes mencionados anteriormente el compostaje está siendo ampliamente utilizado, ya sea solo o en asociación con otros materiales, debido a sus grandes características fisicoquímicas y su bajo costo(Forero et al., 2018; Rojas, 2013).
Las ventajas de la utilización de compostaje como lecho filtrante son: el alto contenido de minerales esenciales (nitrógeno, fósforo, potasio) que ayudan a la proliferación de microorganismos, la alta retención de agua que favorece el crecimiento de la microflora y la degradación de los contaminantes que se encuentren en los gases residuales (Delhoménie et al., 2002)
- Ventajas y Desventajas de la Biofiltración
Las ventajas que se pueden encontrar en estos sistemas que usan medios filtrantes de material biológico como el compost, podemos encontrar que generan bajo costo per cápita y operación, poco o ningún uso de químicos, es un sistema que se puede adaptar a cualquier entorno, alcanza eficiencias muy altas (por encima del 90%)(Forero et al., 2018; Pacheco et al., 2017). Este tipo de sistema puede operar a temperatura ambiente, por lo que no requiere uso de energía y no genera subproductos tóxicos por los procesos re degradación de los microorganismos existentes en el lecho.
En cuanto a las desventajas que se pueden encontrar en esos sistemas esta: Mantenimiento constante del lecho filtrante para mantener condiciones óptimas de los lechos; el control de los compuestos clorados por las bajas tasas de adsorción y posterior degradación; difícil control de la actividad microbiana presente en el lecho para la degradación de los compuestos orgánicos volátiles y por último el control en variables operacionales como lo son: pH, humedad y tasa de entrada.
- Costos
Los costos de capital para la biofiltración se encuentran en función de la complejidad de las partes internas del biofiltro, si está abierto o cerrado, el grado de sofisticación del sistema de control utilizado para la humedad, pH, temperatura, cantidad de gas a remover, concentración del contaminante, mezcla de los contaminantes a remover, tipo de lecho a utilizar, teniendo en cuenta si es artificial o biológico y combinación de los dos.
La electricidad, el agua y el vapor, la utilización de la mano de obra y el mantenimiento de los materiales filtrantes, son otros factores que influyen en el costo del biofiltro. Adicionalmente la vida media de un medio filtrante es de 2 a 5 años teniendo presente los contaminantes y la cantidad a remover(Estrada et al., 2011).
Biofiltracion en la actualidad
Actualmente las investigaciones relacionadas con la biofiltración se han ido enfocando sobre tres ejes principales(Delhoménie et al., 2002). El primero consiste en la población microbiana utilizada para la degradación de los gases residuales contaminados. El segundo comprende el comportamiento cinético de la degradación de los COV’s, los parámetros que intervienen en la transferencia de masa de los COV’s en la interface gas-líquido y la biopelícula retenida en el medio filtrante. Finalmente, el tercer eje consiste en el estudio de los tipos y mezclas de los materiales de filtración.
Conclusión
A partir de este artículo se encontró que la biofiltración es una tecnología eficiente para el tratamiento de COV’s en las corrientes residuales, debido a que tiene un rendimiento aproximado de remoción del 90%. Adicionalmente se ha venido incluyendo residuos orgánicos en el medio filtrante por medio del compostaje para la adsorción de COV’s.
Se puede identificar que una de las mayores ventajas de la biofiltración es que no produce subproductos tóxicos, sino que por el contrario genera residuo que se puede reincorporar a procesos como la agricultura.
Finalmente, los estudios actuales sobre la biofiltración muestran que se deben hacer mayores investigaciones relacionadas con la población microbiana, la biopelícula retenida en el medio filtrante y los tipos de materiales de filtración, para tener un mayor control de estos parámetros, y que el rendimiento del biofiltro, no dependa tanto del funcionamiento de estos.
Fuentes consultadas:
- Belaissaoui, B., Le Moullec, Y., & Favre, E. (2016). Energy efficiency of a hybrid membrane/condensation process for VOC (Volatile Organic Compounds) recovery from air: A generic approach. Energy, 95, 291–302. https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2015.12.006
- Cabeza, I. O., López, R., Giraldez, I., Stuetz, R. M., & Díaz, M. J. (2013). Biofiltration of α-pinene vapours using municipal solid waste (MSW) - Pruning residues (P) composts as packing materials. Chemical Engineering Journal, 233, 149–158. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.08.032
- Colman Lerner, J. E., Sanchez, E. Y., Sambeth, J. E., & Porta, A. A. (2012). Characterization and health risk assessment of VOCs in occupational environments in Buenos Aires, Argentina. Atmospheric Environment, 55, 440–447. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.03.041
- Delhoménie, M.-C., Bibeau, L., Bredin, N., Roy, S., Broussau, S., Brzezinski, R., … Heitz, M. (2002). Biofiltration of air contaminated with toluene on a compost-based bed. Advances in Environmental Research, 6(3), 239–254. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S1093-0191(01)00055-7
- Estrada, J. M., Kraakman, B., Muñoz, R., & Lebrero, R. (2011). A Comparative Analysis of Odour Treatment Technologies in Wastewater Treatment Plants. Environmental Science & Technology, 45(3), 1100–1106. https://doi.org/10.1021/es103478j
- FENAVI. (2019). Programa de estudios Económicos. 15.
- Forero, D. F., Acevedo, P., Cabeza, I. O., Peña, C., & Hernandez, M. (2018). Biofiltration of acetic acid vapours using filtering bed compost from poultry manure - pruning residues - rice husks. Chemical Engineering Transactions, 64, 511–516. https://doi.org/10.3303/CET1864086
- Garcia, F. (2009). Tema 11. Compuestos orgánicos tóxicos Contenidos Contenidos Contenidos Contenidos. 88.
- IBARRÍA, M. G. M. (1999). ESTUDIO SOBRE LA OPERACIÓN Y MODELADO DE UN BIOFILTRO PARA LA ELIMINACIÓN DE VAPORES DE TOLUENO. 207.
- Kennes, C. (2013). Bioprocesos para la eliminación de contaminantes volátiles : estado actual de conocimientos y futuras tendencias Resumen. 1–12.
- Pacheco, M. P., Ramirez, C. A., Hernández, M. A., & Cabeza, I. O. (2017). Evaluación de la eficiencia de remoción de ácido acético y pentano en un sistema de biofiltración con compost de pollinaza , residuos de poda y cascarilla de arroz.
- Qiu, K., Yang, L., Lin, J., Wang, P., Yang, Y., Ye, D., & Wang, L. (2014). Historical industrial emissions of non-methane volatile organic compounds in China for the period of 1980-2010. Atmospheric Environment, 86, 102–112. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2013.12.026
- Rojas, O. C. (2013). Utilizando Diferentes Tipos De Lecho Basados En Mezclas De Compost De Rsu-Poda : Monitorización Mediante De Compost De Rsu-Poda : Monitorización Mediante. Chemical Engineering Journal.
- YOON, I.-K., & PARK, C.-H. (2002). Effects of Gas Flow Rate , Inlet Concentration and Temperature on Biofiltration of Volatile Organic Compounds in a Peat-Packed Biofilter
Por: Daniel Felipe Forero Polania - Ingeniero Ambiental - Programa de voluntarios