Biofiltración: tratamiento biológico de aire contaminado

Los contaminantes emitidos continuamente por la actividad humana tienen efectos locales, regionales o globales. A nivel local, en las grandes ciudades y las zonas industriales, cabe destacar como principales contaminantes las partículas suspendidas totales (PST), los compuestos orgánicos volátiles (COV) y el ozono (O3) que afectan directamente la salud humana. A nivel regional destacan los óxidos de nitrógeno (NOX) y de azufre (SOX) que provocan las lluvias ácidas, que dañan seriamente los ecosistemas y los edificios. Finalmente, a nivel global es importante subrayar la importancia reconocida de numerosos contaminantes sobre la capa de ozono y el efecto invernadero cuyos principales responsables son los CFC y el dióxido de carbono, respectivamente. En forma cuantitativa, las emisiones de contaminantes atmosféricos suman miles de millones de toneladas por año. Se estima, por ejemplo, que a través de la combustión de combustibles fósiles se emiten entre 5 y 6 mil millones de toneladas de dióxido de carbono por año (1 tonelada por habitante por año). En paralelo, a partir de una estimación publicada por la agencia de protección del medio ambiente estadounidense1, se estima que cada estadounidense es responsable de la emisión anual de más de 500 kg de NOX, COV, SOX y CO.

Para combatir la contaminación atmosférica las grandes potencias industriales como Europa, Asia, Canadá y Estados Unidos desarrollan tecnologías físicas,

químicas y biológicas de tratamiento de efluentes gaseosos, de las cuales cabe destacar la depuración biológica de gas. La depuración biológica de gas funciona según un esquema semejante al de las tecnologías de depuración biológica de agua y suelo. Aprovecha la capacidad que tienen los microorganismos para degradar los contaminantes y transformarlos en productos no o menos contaminantes, principalmente agua y CO2. La primera aplicación fue registrada en los años 20 pero no fue sino hasta los años 70 que la depuración biológica de gas alcanzó un nivel significativo de desarrollo.

Actualmente esta tecnología es aplicada con éxito para el tratamiento de una amplia gama de contaminantes en flujos de hasta 400,000 m³/h.

Biotecnologías

Existen tres tecnologías principales de tratamiento biológico de gases: los biolavadores, las columnas empacadas, también llamadas filtros percoladores, y los biofiltros. Estas tecnologías difieren (i) por la presencia o ausencia de un soporte, (ii) la naturaleza del soporte utilizado (orgánico o sintético), (iii) la presencia o ausencia de una fase líquida móvil y (iv) por sus capacidades de tratar diferentes contaminantes.

El biolavado es una tecnología de tratamiento en dos etapas. En la primera etapa, el gas contaminado entra en contacto con una fase líquida que absorbe los contaminantes. Después de haber absorbido los contaminantes, el liquido es tratado mediante un proceso biológico tradicional (por ejemplo, mediante un proceso de lodos activados). Esta tecnología se distingue por su sencillez pero al mismo tiempo por su incapacidad de tratar compuestos poco solubles en agua. Su uso es por lo tanto fuertemente limitado.

Los filtros percoladores, tecnología bien conocida en el ámbito fisico-quimico, realizan la absorción y degradación de los contaminantes en una sola etapa. Con este propósito, el gas contaminado y un medio de cultivo líquido circulan (generalmente en contracorriente) a través de una columna que contiene un soporte inorgánico (por ejemplo, anillos de Rashig). La presencia de los contaminantes y del liquido nutritivo lleva al crecimiento de microorganismos, en forma de biopelícula sobre el soporte, asegurando que el filtro sea biológicamente activo y por lo tanto, capaz de depurar el gas contaminado.

Esta tecnología se distingue por su capacidad para tratar contaminantes medianamente solubles en agua pero también por su sensibilidad y relativamente difícil control.

La biofiltración es sin duda alguna la tecnología de tratamiento biológico de gas más utilizada. Está caracterizada por el uso de un soporte orgánico (aserrín, turba, composta, etc.) que provee los nutrientes necesarios para el crecimiento de los microorganismos, transformando el soporte orgánico en un filtro biológicamente activo. Al pasar el aire contaminado a través del lecho, los microorganismos presentes en la superficie del soporte degradan los contaminantes (figura 1)2.

Al principio, la biofiltración fue utilizada principalmente para la eliminación de los olores, y los primeros biofiltros aparecieron en las plantas de tratamiento de aguas residuales, en mataderos, en unidades de composteo y en la industria alimenticia. De manera progresiva, los biofiltros han sido utilizados para el tratamiento de una gama cada vez más amplia de contaminantes.

Actualmente la lista de compuestos tratados con éxito por biofiltros incluyen casi 200 compuestos diferentes, tanto minerales como orgánicos, alifáticos como aromáticos, halogenados o no.

Biofiltros

El diseño de los biofiltros es muy variable: pueden ser sistemas cerrados o abiertos; de uno o múltiples lechos de soporte teniendo cada uno una altura de entre 0.5 y 1.5 m. Los biofiltros permiten, por lo general, tratar flujos específicos de gas de 50 a 300 m³ por m³ de reactor por hora, con valores extremos de 12 m³ por m³ de reactor por hora para el tratamiento de compuestos xenobióticos y de 600 m³ por m³ de reactor por hora para el tratamiento de contaminantes poco tóxicos. La capacidad de concentración de los contaminantes tratados con éxito puede ser de algunos mg por m³ hasta arriba de 5 g por m³, dependiendo del nivel de toxicidad del compuesto. Esos
últimos valores significan una capacidad de degradación de 10 a 200 g de contaminante por m³ de reactor por hora.
Se considera que la biofiltración es una de las tecnologías más económicas, en especial para el tratamiento eficiente de grandes flujos de aire poco contaminados. El costo de tratamiento es muy variable y puede oscilar entre 0.3 y 2.5 dólares americanos por 1000 m³ tratados, lo cual es de 3 a 10 veces inferior a las tecnologías de tratamiento de tipo físico-químico (incineración, adsorción, etc.), dependiendo de la concentración y toxicidad de los contaminantes.
El campo de aplicación de la biofiltración está principalmente enfocado a la eliminación de olores y al tratamiento de efluentes que contienen bajas concentraciones de compuestos orgánicos volátiles. Un factor importante es que la biofiltración, que es un proceso de oxidación biológica, se aplica exclusivamente para la eliminación de contaminantes oxidables, compuestos orgánicos parcialmente oxidados o compuestos minerales reducidos. La biofiltración no representa por lo tanto una respuesta a las emisiones de óxido de azufre, de nitrógeno o de dióxido de carbono.

Sin ninguna duda la aplicación de mayor importancia para la biofiltración es el tratamiento de olores provenientes de industrias alimenticias y similares (rastros, empacadoras, etc.). La siguiente aplicación en orden de importancia es en el tratamiento de aguas para evitar la emisión de contaminantes en los tanques de aireación y de malos olores en el tratamiento de lodos. Finalmente, numerosas empresas que manejan solventes utilizan procesos de biofiltración para limitar las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (imprentas e industrias químicas).

Si la biofiltración está considerada por muchos como la solución a numerosos casos de emisión de contaminantes gaseosos, sus detractores critican el gran espacio necesario y el reemplazo regular del material de soporte.

No cabe duda que los biofiltros necesitan espacios relativamente grandes, de 3 a 20 m2 por 1000 m³ de aire tratado por hora. No obstante, cabe destacar que la sencillez y el bajo peso de los biofiltros (de 200 a 500 kg por m2 de superficie) permiten instalarlos con una relativa libertad (en techos, en zonas desaprovechadas o de difícil acceso). También es cierto que el soporte utilizado en los biofiltros deben ser reemplazado. Por razones obvias, los soportes orgánicos sirven de fuente de nutrientes para los microorganismos y por lo tanto se degradan o se agotan las reservas de nutrientes disponibles. La frecuencia de reemplazo de los soportes es muy variable y depende del tipo de gas tratado. De manera general, se considera que los soportes tienen una esperanza de vida promedio del orden 3 a 5 años. En este aspecto es importante destacar que el costo del material de soporte no influye mucho sobre el costo total de tratamiento. Antes de ser reemplazado, cada m³ de soporte habrá tratado del orden de 1.5 y 8 millones de m³ de aire. Con un costo de soporte del orden de 100 dólares por m³, la participación del soporte en el costo total de tratamiento representa de 1 a 7 centavos de dólar por 1000 m³ tratados. La disposición final del soporte usado puede representar un problema ambiental secundario. Afortunadamente, en la mayoría de los casos, cuando el biofiltro funciona bien, el soporte usado no contiene ningún compuesto tóxico y puede ser dispuesto como material biológico no peligroso y no tóxico.

En México, la biofiltración no ha tenido éxito y no se conoce ninguna aplicación industrial. En particular, desde 1996, en el Cinvestav, nuestro grupo está realizando investigaciones que tienen por objetivo, entre otros, el desarrollo de la biofiltración. Con este fin se ha estudiado el uso de subproductos agrícolas sin mayor uso como soporte de biofiltración. De entre los soportes estudiados, la cáscara de cacahuate y la cascarilla de arroz resultaron ser materiales eficientes para la remoción de COV.

Notas

1. EPA-454/F-98-006 (1998).
2. C. Kennes y F. Thalasso, J. Chem. Technol. Biotechnol. 72, 303 (1998).

Por: Frédéric Thalasso y Raúl Pineda Olmedo