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Tratamiento

El Desarrollo de Bioprocesos para el Tratamiento de Aire Contaminado

Emitido por Fuentes Fijas. Parte 1

INTRODUCCIÓN

La atmósfera es una capa de gas de cientos de kilómetros que rodea a la Tierra. Su composiciónpuede verse alterada localmente por causas naturales y como consecuencia de las actividadeshumanas. Entre las causas naturales se encuentran las erupciones volcánicas, los incendios, lasfugas naturales de reservas de hidrocarburos, las emisiones en pantanos, etc. La contaminaciónantropognica ha rebasado el ámbito local y ya tiene un impacto regional que se mani!esta enfenómenos como la lluvia ácida y a nivel global se resienten los efectos de la acumulación degases de invernadero y del agu"ero de la capa de o#ono. $omo consecuencia de lo anterior, lospa%ses y organi#aciones mundiales emiten leyes y acuerdos para controlar la contaminación atravs de una regulación en las emisiones.

Entre las fuentes antropognicas de emisiones a la atmósfera podemos distinguir dos tipos& las

móviles y las estacionarias. Las fuentes móviles son las más importantes en las ciudades y suimpacto principal es en la emisión de monó'ido de carbón ($)*, ciertos hidrocarburos y en laspart%culas suspendidas.

Entre las fuentes !"as se pueden mencionar dos tipos de emisiones&

por un lado las derivadas de la combustión, (i.e. chimeneas*, utili#ada para la generación deenerg%a y por otro lado las inherentes a cada actividad industrial y de servicios. +ara el caso de laschimeneas, las emisiones dependen en buena medida de la calidad de los combustibles perotambin de la e!ciencia de los quemadores, del mantenimiento del equipo y de la presencia deequipo de tratamiento (!ltros, precipitadores, lavadores, etc.*. Los principales contaminantesasociados a la combustión son part%culas, S), -), $) e hidrocarburos. Entre el segundo grupo deemisiones se encuentra un gran n/mero de contaminantes, de muy variado nivel de impacto en la

salud.

Los contaminantes del aire pueden clasi!carse en&

• +art%culas& material l%quido o sólido de peque0o tama0o (1 233 4m* que es dispersado porel aire. Son formadas por abrasión, condensación o combustión incompleta. Las part%culaspeque0as (menores a 53 4m y llamadas +653* afectan seriamente las v%as respiratorias.

• 7ases y vapores, que incluyen a los compuestos volátiles orgánicos e inorgánicos ($)8s y$98s*. Los $)8s se han de!nido como compuestos con carbón e hidrógeno y con presiónde vapor mayor a mm :g (3.; k+a* a 2 686 (#ona

metropolitana del valle de 6'ico*, que re?e"a las emisiones, tanto naturales comoantropognicas, por diferentes fuentes (5*. Se demuestra la presencia de un gran n/mero decontaminantes cuyo origen se puede rastrear a fuentes móviles y a actividades tales como,

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plantas de producción de asfalto, talleres grá!cos y de pintura, lavander%as, rellenos sanitarios,etc. (*. Entre los compuestos más abundantes reportados por @rriaga y col. (5*, se encuentran,entre otros, propano, nAbutano, toluenoB, iAbutano, iApentano, acetileno, etileno, 'ileno, Ametilpentano, nAhe'ano, 6TCEB y bencenoB en concentraciones entre 23 y D33 ppb$. @lgunos de estoscompuestos (B* son considerados como contaminantes peligrosos para la salud. Seg/n 8ega y col.(*, las actividades de mayor impacto en la generación de $)8s en la atmósfera de la ciudad de6'ico son, además de los automotores, las emisiones de gas L+, las fábricas de asfalto y los

talleres de pintura.

El efecto de la presencia de contaminantes en la atmósfera sobre la salud se ha documentado devarias formas. n estudio reciente reali#ado para la nión Europea, reporta dicho impacto a travsde la evaluación del costo del da0o para la sociedad causado por la emisión de contaminantes (F*.Se calcula el aumento en la concentración del contaminante por el incremento en la emisión y seestima el n/mero de casos de enfermedades y da0o f%sico y muerte. El da0o resulta función de ladensidad poblacional y del tipo de contaminante. @s% se estima que los $)8s pueden tener uncosto promedio para la sociedad de ocho pesos por kg emitido aunque puede aumentar por unfactor de dos cuando las condiciones son adversas (ba"a dispersión y alta densidad poblacional*,como es el caso de la >686. El mismo estudio da valores apro'imados de GH3 por kg de S) , G5F3por kg de -) y G5F3 por kg de +653.

TÉCNICAS DE TRATAMIENTO 

Entre las tcnicas de tratamiento de aire contaminado emitido por fuentes !"as se encuentranalgunas que se han aplicado durante muchos a0os y de las cuales se tiene una ampliadocumentación (D, 2*. En general, estas tecnolog%as pueden clasi!carse en dos gruposdependiendo de las caracter%sticas de los contaminantes= aquellas para el control decontaminantes particulados (sólido o l%quido* con diámetro en el orden de micras o menores(polvo, smog, humo, aerosoles* y las usadas para contaminantes gaseosos. Entre las tecnolog%aspara el control de contaminantes particulados se encuentran los sedimentadores gravitacionales,los separadores centr%fugos, incluyendo los ciclones, los !ltro de tela, los lavadores l%quidos y elprecipitador electrostático.

Los sistemas de control para vapores y gases se basan en diferentes principios !sicoqu%micos quese encuentran descritas en la tabla 5.

Tabla 1TECNOLOGÍAS DE EL IMINACIÓN DE COVs

Tecnología !"nc"#"o

A$so!c"%n

Las molculas son retenidas sobre la super!cie deladsorbente por fuer#as dbiles electrostáticas. Seusa principalmente carbón activado. El adsorbentedebe ser regenerado (inA situ o e' situ* una ve#saturado.

La adsorción puede verse afectada porhumedad, selectividad, tempertaura,presión, y presencia de part%culas.

Abso!c"%n

El contaminante es transferido del gas a un l%quidoabsorbente por un gradiente de concentración.Las soluciones absorbentes incluyen agua, sosacáustica, aminas y algunos hidrocarburos. Elabsorbente empleado dependerá de lascaracter%sticas de solubilidad del $)8 a remover.

La e!ciencia depende de la solubilidadcontaminante, que a su ve# depende detemperatura, presión y el p:. +ueden sertorres de aspersión o empacadas.

La&a$o!es '(í"cos

+roceso de absorción con reacción. Se usa paracontrol de olores o'idando los contaminantes conhipoclorito u otro o'idante qu%mico.El o'idante se consume al reaccionar por lo que esnecesario agregarlo continuamente.

Se pueden generar compuestosindeseables por la o'idación qu%micaparcial.+ueden ser torres de aspersión oempacadas.

Inc"ne!ac"%n*O+"$ac"%n ,-!"ca)

Los contaminantes son o'idados a $) y :) enquemadores entre ;33 y 5333I $.Se requiere generalmente una corriente decombustible suplementaria. +ueden emitirseademás -), $), :$l y otros $)8s potencialmentepeligrosos.

Se utili#a cuando la concentración devapores orgánicos es generalmente 23Jmenor al l%mite inferior de e'plosividad,

O+"$ac"%n ca,alí,"ca

La o'idación es favorecida por un catali#ador. Lastemperaturas de operación se encuentran entrelos F33AD23I $. Los catali#adores t%picamenteutili#ados en o'idación catal%tica incluyen ó'idosmetálicos.

+ara concentración menor del 2J de sul%mite inferior de e'plosividad.+art%culas y ciertos compuestos como :S,:$l, pueden desactivar el catali#ador.

Con$ensac"%n

Los contaminantes gaseosos son removidos por elcambio de fase a l%quido y la separación de estafase del gas. La condensación es generalmente

inducida enfriando la corriente de gas. Lae!ciencia depende principalmente de latemperatura de roc%o de la me#cla.

+ueden ser condensadoresconvencioneralmente, refrigerados ocriognicos.

Krecuentemente utili#ados paracompuestos concentrados y capaces de serreutili#ados en el proceso.

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Meb!anas selec,"&asEl aire contaminado pasa a travs de membranasselectivas en dónde los $)8 son selectivamenteabsorbidos y concentrados.

 Tecnolog%a emergente, altos costos.

O+"$ac"ones a&an.a$asso de o'idantes más potentes (8, )F* ocatali#adores que los generan (Ti)* para o'idarlos contaminantes del aire.

 Tecnolog%as emergentes, altos costos.

S"s,eas b"ol%g"cosLos contaminantes son minerali#ados ($), :), S,S)D, -), :$l* por medio de microorganismos que

se encuentran inmovili#ados o en suspensión.

Los sistemas más comunes sonbiolavadores, biolavadores de lecho

escurrido y bio!ltros.

Entre los factores que son considerados para la selección de un equipo de tratamiento seencuentran (D, 2, , ;, M*&a) $aracter%sticas del contaminante& To'icidad, corrosividad, combustibilidad, biodegradabilidad,presión de vapor, etctera.

b)  Las caracter%sticas de la corriente contaminada& Klu"o, temperatura, humedad, composición(incluyendo part%culas suspendidas*, concentración de los contaminantes y masa total de losmismos.

c) La e!ciencia de remoción requerida, de acuerdo con las normatividades e'istentes.

$) La necesidad de servicios especiales y la posible generación de desechos y subproductos.

e) La posibilidad de recuperar, reutili#ar o reciclar el contaminante.

/) Los costos de inversión y operación.

En la !gura 5, se muestran los rangos de concentración de contaminantes (compuestos volátilesorgánicos* y de ?u"os de aire en los cuales son más rentables algunas de las principalestecnolog%as de control.

0"g(!a 1RANGO DE ALICACIÓN ARA TRATAMIENTO DE GASES *ADATADO DE 2 3)

MÉTODOS 4IOTECNOLÓGICOS 

Estas tecnolog%as se basan en la degradación o transformación de los contaminantes encompuestos no da0inos. El l%mite de estos procesos es la biodegradabilidad de los contaminantes.6ientras que los compuestos biognicos (generados por procesos biológicos* son fácilmentebiodegradables, los compuestos 'enobióticos (aquellos que no son producto de una bios%ntesis*pueden ser más recalcitrantes (, H*. Los compuestos recalcitrantes son aquellos que resisten elataque microbiano parcial o totalmente. La tabla reporta compuestos que han sido eliminadospor bio!ltración.

Tabla 5E6EMLO DE COMUESTOS VOL7TILES TRATADOS

OR ROCESOS 4IOLÓGICOS

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@cetona Tolueno @crilonitrilo Ncido sulfh%drico

6etil Etil $etona, Cenceno Etil acetato Cisulfuro de carbón

6etanol Etil benceno $loruro metileno 6ercaptanos

Etanol ilenos @crilatos @moniaco

9sopropanol, Estireno 8apores gasolina S) y -)

Oter 6etil tA butil ter, $loruro vinilo )lores orgánicos

Kormaldeh%do Etil tA butil ter, $loroA bencenosnA @lcanos

($5 a $* tA amil metil ter, +inenos

Estos procesos son considerados tecnolog%as limpias por su menor uso en energ%a, que noadicionan sustancias peligrosas, que no requieren condiciones e'tremas de traba"o y que su costode operación es reducido.Estos sistemas comparten con las o'idaciones (incineración y catal%tica* el hecho que loscontaminantes son destruidos y no transferido a otra fase como con otras tecnolog%as de control(i.e., adsorción, absorción y condensación*.

Las principales tecnolog%as biológicas son los !ltros de escurrimiento y los bio!ltros (, 53, 55*.

0"l,!os $e esc(!!""en,o *4LE)

En los !ltros de escurrimiento los procesos de absorción de gases y regeneración de la fase l%quidaocurren simultáneamente (!gura *. 7eneralmente consisten en columnas empacadas conmaterial que permite el desarrollo de una pel%cula microbiana que favorece el aumento de ladensidad celular volumtrica. +or lo general el área espec%!ca del empaque (área de contacto porunidad de volumen de columna* es relativamente ba"a (533 a F33 mPmF* y se pre!erenvol/menes vac%os altos (H3 a H2J* para minimi#ar la ca%da de presión en la columna y el riesgo deque el espacio vac%o sea obstruido por el crecimiento microbiano.

Los empaques son generalmente plásticos estructurados o aleatorios.

En los !ltros de escurrimiento se alcan#an valores de densidad de microorganismos de hasta 3 kgSST mAF (sólidos suspendidos totales* lo que incrementa sensiblemente la e!ciencia de remoción

volumtrica. Estos equipos son muy recomendados cuando los compuestos de o'idación no sonvolátiles y se acumulan en la fase l%quida (, 55*. Oste es el caso de los sulfatos, nitratos y cloruros(generados, entre otros, por la o'idación de sulfuros, amoniaco y organoclorados* que, además dedisminuir el p: durante la degradación, son inhibitorios para los microorganismos enconcentraciones elevadas.

0"g(!a 5ES8UEMATI9ACIÓN DE UN 0ILTRO DE ESCURRIMIENTO

4"o:l,!os

En los bio!ltros, el gas contaminado pasa por un reactor empacado de material h/medo en donde

se ha desarrollado una pel%cula de microorganismos sobre la super!cie y los macroporos delsoporte (!gura F*.

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El contaminante es transferido desde el gas a esta biopel%cula h/meda en donde es transformadoeventualmente en $) y :), siendo estos compuestos arrastrados a la salida. En estos equipos sepueden alcan#ar tasas de degradación mayores a 33 g mAF reactor hA5 (55, 5, 5F*. Los materialesde empaque pueden ser tierra, diferentes tipos de compostas, desechos de madera, turba, baga#ode ca0a, cáscaras de cacahuate, etc. Estos soportes normalmente contienen los su!cientesminerales para sostener una población adecuada aunque la adición controlada de nutrientes yagua tiene un efecto estimulante (, 5, 5D*. Se han estudiado además soportes inertes, como

vermiculita, agrolita, materiales cerámicos, etc., en donde los nutrientes tienen que seradicionados e'ternamente (5F, 52*. Las caracter%sticas de los materiales naturales hacennecesario el cambio del soporte al cabo de periodos de tres a cinco a0os (;*, aunque la operacióny caracter%sticas de los materiales de empaque pueden reducir o aumentar este rango (5*. Laprofundidad del lecho es de 23 a 53 cm dependiendo de las propiedades mecánicas del empaquelas cuales pueden ser me"oradas me#clando materiales orgánicos tales como madera o corte#asas% como plásticos inertes o cerámicos.

En estos equipos la pel%cula de l%quido está estacionaria sobre el soporte lo que di!culta el controldel microambiente en donde se encuentran los microorganismos (5, 5D*. Sin embargo, la adiciónintermitente de agua, medio nutritivo o neutrali#ante pueden resolver este problema manteniendouna humedad del lecho menor a la de su capacidad de campo y las condiciones apropiadas para laactividad biológica. E'isten diversos e"emplos de sistemas de bio!ltración en los que la pel%cula del%quido estacionaria puede ser controlada como lo demuestra un bio!ltro industrial de 523 mFempacado con baga#o de ca0a recientemente instalado para tratar sulfuros gaseosos emitidos del

tratamiento anaeróbico de vina#as (5;*.

En los inicios de la bio!ltración stos fueron usados principalmente para abatir los olores en lasplantas de tratamiento de aguas residuales (5M*, en la industria alimentaria (rastros, caf y cacao*,en las de aromas y sabores y para los casos de $)8 derivados de las industrias de pinturas,fotograf%a, plásticos y s%ntesis qu%mica. @lgunas otras aplicaciones son las emisiones de sueloscontaminados, gasolineras, campanas de e'tracción, etctera. (, 5H*.

O,!as con:g(!ac"ones

Los biolavadores consisten de un compartimiento en donde se lleva a cabo la absorción y otro, elreactor biológico, de regeneración (!gura D*.

En el absorbedor los contaminantes se trans!eren a un medio acuoso hasta condiciones cercanasa la saturación. El l%quido se recircula al reactor biológico en donde se lleva a cabo la o'idación pormicroorganismos libres o inmovili#ados. En casos en los que las concentraciones de contaminanteson elevadas, se puede agregar aire no contaminado para completar la o'idación. na ve#reducida la concentración del contaminante en el l%quido ste es reciclado al absorbedor. El l%quidocontiene nutrientes inorgánicos que sostienen una población microbiana estable. Las densidadescelulares son menores que en los !ltros de escurrimiento.

0"g(!a ;ES8UEMATI9ACIÓN DE UN 4IO0ILTRO

Entre las con!guraciones innovadoras se encuentra el contactador biológico rotatorio (3*. En este

sistema el gas se alimenta en los espacios libres de discos rotatorios permitiendo el control de labiopel%cula.

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En una variación se usan placas que se mueven en sentido perpendicular al ?u"o de gas, sesostiene que se me"ora la transferencia (5*.

no de los grandes retos de la bio!ltración es el acoplamiento de diferentes tecnolog%as parapoder hacer una eliminación e!ciente de corrientes comple"as. En un reporte reciente se dise0ó unsistema combinado para el tratamiento de corrientes gaseosas de acrilonitrilo (*.

En este proceso se combina un bio!ltro, para eliminar el compuesto carbonado y la nitri!cación ydenitri!cación para eliminar el amoniaco formado durante el primer paso. El equipo consiste en unbio!ltro para la transformación del carbón en $) y se produce amoniaco, en un segundo bio!ltroel amoniaco es o'idado a nitrato y !nalmente este compuesto es reducido a nitrógeno elementalen un tanque anaeróbico.

)tros procesos combinados incluyen el uso de plantas como lo reportan para la limpie#a del airede interiores.

$on la disponibilidad de nuevos materiales se empie#a a desarrollar una nueva familia de sistemasde tratamiento biológico basado en la separación selectiva de los contaminantes por membranas ysu destrucción por biopel%culas que se formar%an en el otro lado de la pared. En estos sistemas sepodr%an reducir algunos de los principales problemas de la bio!ltración como son el taponamiento,el control de las condiciones microbianas, la formación de canales, etctera. (F*.

0"g(!a <ES8UEMATI9ACIÓN DE UN 4IOLAVADOR