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 composición puede verse alterada localmente por causas naturales y como consecuencia de las actividades humanas. Entre las causas naturales se encuentran las erupciones volcánicas, los incendios, las fugas naturales de reservas de hidrocarburos, las emisiones en pantanos, etc. La contaminación antropogénica ha rebasado el ámbito local y ya tiene un impacto regional que se manifiesta en fenómenos como la lluviaácida y a nivel global se resienten los efectos de la acumulación de gases de invernadero y del agujero de la capa de ozono. Como consecuencia de lo anterior, los países y organizaciones mundiales emiten leyes y acuerdos para controlar la contaminación a través de una regulación en las emisiones.

Entre las fuentes antropogénicas 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 su impacto principal es en la emisión de monóxido de carbón (CO), ciertos hidrocarburos y en las partículas suspendidas.

Entre las fuentes fijas se pueden mencionar dos tipos de emisiones:
por un lado las derivadas de la combustión, (i.e. chimeneas), utilizada para la generación de energía y por otro lado las inherentes a cada actividad industrial y de servicios. Para el caso de las chimeneas, las emisiones dependen en buena medida de la calidad de los combustibles pero también de la eficiencia de los quemadores, del mantenimiento del equipo y de la presencia de equipo de tratamiento (filtros, precipitadores, lavadores, etc.). Los principales contaminantes asociados a la combustión son partículas, SO₂, NO_X, CO e hidrocarburos. Entre el segundo grupo de emisiones se encuentra un gran número de contaminantes, de muy variado nivel de impacto en la salud.

Los contaminantes del aire pueden clasificarse en:

• Partículas: material líquido o sólido de pequeño tamaño (< 500 µm) que es dispersado por el aire. Son formadas por abrasión, condensación o combustión incompleta. Las partículas pequeñas (menores a 10 µm y llamadas PM₁₀) afectan seriamente las vías respiratorias.
• Gases y vapores, que incluyen a los compuestos volátiles orgánicos e inorgánicos (COVs y CIVs). Los COVs se han definido como compuestos con carbón e hidrógeno y con presión de vapor mayor a 2 mm Hg (0.27 kPa) a 25 °C excluyendo el metano. Los CIVs incluyen los gases de combustión (excluyendo el CO₂ ) y otros como el H₂S, CS₂, NO_X, amoniaco, etc. Entre los ejemplos que se pueden citar y que muestran la diversidad, se encuentran:
  a) Malos olores (CIVs y COVs) producidos por plantas de alimentos, rastros, basureros, plantas de tratamiento de aguas, rellenos sanitarios, plantas de composteo, etc. Se caracterizan por estar formados por muchos compuestos en muy bajas concentraciones (< 1 ppm) que tienen muy bajos umbrales de detección olfativa.
  b) Compuestos orgánicos volátiles producidos por unidades industriales y de servicios que en general comprenden fábricas, talleres de pinturas, tintorerías, imprentas, plantas de reciclado de aceite, lavado de componentes electrónicos, etc. Los COVs pueden incluir algunos compuestos identificados como peligrosos por sus efectos en la salud; emisiones de compuestos azufrados, nitrogenados o halogenados producidos por fundidoras, plantas de celofán y rayón, biogás, amoniaco, industrias de refrigeración y electrónicas, etc. Muchas de estas emisiones son reguladas en países desarrollados.

Como ejemplo del impacto de las emisiones se reporta la composición del aire de la ZMVM (zona metropolitana del valle de México), que refleja las emisiones, tanto naturales como antropogénicas, por diferentes fuentes (1). Se demuestra la presencia de un gran número de contaminantes cuyo origen se puede rastrear a fuentes móviles y a actividades tales como, plantas de producción de asfalto, talleres gráficos y de pintura, lavanderías, rellenos sanitarios, etc. (2). Entre los compuestos más abundantes reportados por Arriaga y col. (1), se encuentran, entre otros, propano, n-butano, tolueno*, i-butano, i-pentano, acetileno, etileno, xileno, 2-metil pentano, n-hexano, MTBE* y benceno* en concentraciones entre 50 y 400 ppbC. Algunos de estos compuestos (*) son considerados como contaminantes peligrosos para la salud. Según Vega y col. (2), las actividades de mayor impacto en la generación de COVs en la atmósfera de la ciudad de México son, además de los automotores, las emisiones de gas LP, 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 de varias formas. Un estudio reciente realizado para la Unión Europea, reporta dicho impacto a través de la evaluación del costo del daño para la sociedad causado por la emisión de contaminantes (3). Se calcula el aumento en la concentración del contaminante por el incremento en la emisión y se estima el número de casos de enfermedades y daño físico y muerte. El daño resulta función de la densidad poblacional y del tipo de contaminante. Así se estima que los COVs pueden tener un costo promedio para la sociedad de ocho pesos por kg emitido aunque puede aumentar por un factor de dos cuando las condiciones son adversas (baja dispersión y alta densidad poblacional), como es el caso de la ZMVM. El mismo estudio da valores aproximados de $90 por kg de SO₂, $130 por kg de NO₂ y $130 por kg de PM₁₀.

TÉCNICAS DE TRATAMIENTO

Entre las técnicas de tratamiento de aire contaminado emitido por fuentes fijas se encuentran algunas que se han aplicado durante muchos años y de las cuales se tiene una amplia documentación (4, 5). En general, estas tecnologías pueden clasificarse en dos grupos dependiendo de las características de los contaminantes; aquellas para el control de contaminantes particulados (sólido o líquido) con diámetro en el orden de micras o menores (polvo, smog, humo, aerosoles) y las usadas para contaminantes gaseosos. Entre las tecnologías para el control de contaminantes particulados se encuentran los sedimentadores gravitacionales, los separadores centrífugos, incluyendo los ciclones, los filtro de tela, los lavadores líquidos y el precipitador electrostático.

Los sistemas de control para vapores y gases se basan en diferentes principios fisicoquímicos que se encuentran descritas en la tabla 1.

Entre los factores que son considerados para la selección de un equipo de tratamiento se encuentran (4, 5, 6, 7, 8):
a) Características del contaminante: Toxicidad, corrosividad, combustibilidad, biodegradabilidad, presión de vapor, etcétera.
b) Las características de la corriente contaminada: Flujo, temperatura, humedad, composición (incluyendo partículas suspendidas), concentración de los contaminantes y masa total de los mismos.
c) La eficiencia de remoción requerida, de acuerdo con las normatividades existentes.
d) La necesidad de servicios especiales y la posible generación de desechos y subproductos.
e) La posibilidad de recuperar, reutilizar o reciclar el contaminante.
f) Los costos de inversión y operación.

En la figura 1, se muestran los rangos de concentración de contaminantes (compuestos volátiles orgánicos) y de flujos de aire en los cuales son más rentables algunas de las principales tecnologías de control.

MÉTODOS BIOTECNOLÓGICOS

Estas tecnologías se basan en la degradación o transformación de los contaminantes en compuestos no dañinos. El límite de estos procesos es la biodegradabilidad de los contaminantes. Mientras que los compuestos biogénicos (generados por procesos biológicos) son fácilmente biodegradables, los compuestos xenobióticos (aquellos que no son producto de una biosíntesis) pueden ser más recalcitrantes (6, 9). Los compuestos recalcitrantes son aquellos que resisten el ataque microbiano parcial o totalmente. La tabla 2 reporta compuestos que han sido eliminados por biofiltración.

Estos procesos son considerados tecnologías limpias por su menor uso en energía, que no adicionan sustancias peligrosas, que no requieren condiciones extremas de trabajo y que su costo de operación es reducido.

Estos sistemas comparten con las oxidaciones (incineración y catalítica) el hecho que los contaminantes son destruidos y no transferido a otra fase como con otras tecnologías de control (i.e., adsorción, absorción y condensación).

Las principales tecnologías biológicas son los filtros de escurrimiento y los biofiltros (6, 10, 11).

Filtros de escurrimiento (BLE)

En los filtros de escurrimiento los procesos de absorción de gases y regeneración de la fase líquida ocurren simultáneamente (figura 2). Generalmente consisten en columnas empacadas con material que permite el desarrollo de una película microbiana que favorece el aumento de la densidad celular volumétrica. Por lo general el área específica del empaque (área de contacto por unidad de volumen de columna) es relativamente baja (100 a 300 m2/m3) y se prefieren volúmenes vacíos altos (90 a 95%) para minimizar la caída de presión en la columna y el riesgo de que el espacio vacío sea obstruido por el crecimiento microbiano.

Los empaques son generalmente plásticos estructurados o aleatorios.

En los filtros de escurrimiento se alcanzan valores de densidad de microorganismos de hasta 60 kg SST m-3 (sólidos suspendidos totales) lo que incrementa sensiblemente la eficiencia de remoción volumétrica. Estos equipos son muy recomendados cuando los compuestos de oxidación no son volátiles y se acumulan en la fase líquida (6, 11). Éste es el caso de los sulfatos, nitratos y cloruros (generados, entre otros, por la oxidación de sulfuros, amoniaco y organoclorados) que, además de disminuir el pH durante la degradación, son inhibitorios para los microorganismos en concentraciones elevadas.

Biofiltros

En los biofiltros, el gas contaminado pasa por un reactor empacado de material húmedo en donde se ha desarrollado una película de microorganismos sobre la superficie y los macroporos del soporte (figura 3).

El contaminante es transferido desde el gas a esta biopelícula húmeda en donde es transformado eventualmente en CO₂ y H₂O, siendo estos compuestos arrastrados a la salida. En estos equipos se pueden alcanzar tasas de degradación mayores a 200 g m^-3 reactor h^-1 (11, 12, 13). Los materiales de empaque pueden ser tierra, diferentes tipos de compostas, desechos de madera, turba, bagazo de caña, cáscaras de cacahuate, etc. Estos soportes normalmente contienen los suficientes minerales para sostener una población adecuada aunque la adición controlada de nutrientes y agua tiene un efecto estimulante (6, 12, 14). Se han estudiado además soportes inertes, como vermiculita, agrolita, materiales cerámicos, etc., en donde los nutrientes tienen que ser adicionados externamente (13, 15). Las características de los materiales naturales hacen necesario el cambio del soporte al cabo de periodos de tres a cinco años (7), aunque la operación y características de los materiales de empaque pueden reducir o aumentar este rango (16). La profundidad del lecho es de 50 a 120 cm dependiendo de las propiedades mecánicas del empaque las cuales pueden ser mejoradas mezclando materiales orgánicos tales como madera o cortezas así como plásticos inertes o cerámicos.

En estos equipos la película de líquido está estacionaria sobre el soporte lo que dificulta el control del microambiente en donde se encuentran los microorganismos (12, 14). Sin embargo, la adición intermitente de agua, medio nutritivo o neutralizante pueden resolver este problema manteniendo una humedad del lecho menor a la de su capacidad de campo y las condiciones apropiadas para la actividad biológica. Existen diversos ejemplos de sistemas de biofiltración en los que la película de líquido estacionaria puede ser controlada como lo demuestra un biofiltro industrial de 150 m3 empacado con bagazo de caña recientemente instalado para tratar sulfuros gaseosos emitidos del tratamiento anaeróbico de vinazas (17).

En los inicios de la biofiltración éstos fueron usados principalmente para abatir los olores en las plantas de tratamiento de aguas residuales (18), en la industria alimentaria (rastros, café y cacao), en las de aromas y sabores y para los casos de COV derivados de las industrias de pinturas, fotografía, plásticos y síntesis química. Algunas otras aplicaciones son las emisiones de suelos contaminados, gasolineras, campanas de extracción, etcétera. (6, 19).

Otras configuraciones

Los biolavadores consisten de un compartimiento en donde se lleva a cabo la absorción y otro, el reactor biológico, de regeneración (figura 4).

En el absorbedor los contaminantes se transfieren a un medio acuoso hasta condiciones cercanas a la saturación. El líquido se recircula al reactor biológico en donde se lleva a cabo la oxidación por microorganismos libres o inmovilizados. En casos en los que las concentraciones de contaminante son elevadas, se puede agregar aire no contaminado para completar la oxidación. Una vez reducida la concentración del contaminante en el líquido éste es reciclado al absorbedor. El líquido contiene nutrientes inorgánicos que sostienen una población microbiana estable. Las densidades celulares son menores que en los filtros de escurrimiento.

Entre las configuraciones innovadoras se encuentra el contactador biológico rotatorio (20). En este sistema el gas se alimenta en los espacios libres de discos rotatorios permitiendo el control de la biopelícula.

En una variación se usan placas que se mueven en sentido perpendicular al flujo de gas, se sostiene que se mejora la transferencia (21).

Uno de los grandes retos de la biofiltración es el acoplamiento de diferentes tecnologías para poder hacer una eliminación eficiente de corrientes complejas. En un reporte reciente se diseñó un sistema combinado para el tratamiento de corrientes gaseosas de acrilonitrilo (22).

En este proceso se combina un biofiltro, para eliminar el compuesto carbonado y la nitrificación y denitrificación para eliminar el amoniaco formado durante el primer paso. El equipo consiste en un biofiltro para la transformación del carbón en CO₂ y se produce amoniaco, en un segundo biofiltro el amoniaco es oxidado a nitrato y finalmente este compuesto es reducido a nitrógeno elemental en un tanque anaeróbico.

Otros procesos combinados incluyen el uso de plantas como lo reportan para la limpieza del aire de interiores.

Con la disponibilidad de nuevos materiales se empieza a desarrollar una nueva familia de sistemas de tratamiento biológico basado en la separación selectiva de los contaminantes por membranas y su destrucción por biopelículas que se formarían en el otro lado de la pared. En estos sistemas se podrían reducir algunos de los principales problemas de la biofiltración como son el taponamiento, el control de las condiciones microbianas, la formación de canales, etcétera. (23).

S. REVAH MOISEEV
I. ORTIZ LÓPEZ
Fuente: www.cua.uam.mx