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Tratamiento
biológico de efluentes gaseosos: ¿realidad o ficción?
Ecotropía
(Barcelona).
Es bien sabido que la
naturaleza es, a menudo, capaz de restaurar por sus propios medios la
contaminación producida por algunos compuestos, aunque en un limitado rango de
concentraciones. En muchas ocasiones, y esencialmente en los casos debidos a
focos de generación agrupados en una pequeña área, se muestra incapaz de
restaurar de forma natural los desajustes provocados por la actividad humana.
En estas ocasiones, debemos ayudar a la naturaleza a mantener su equilibrio. La
minimización de la generación de contaminantes y el tratamiento del exceso no
minimizado son las dos opciones de que disponemos para mantener este equilibrio
natural.
Durante años se han desarrollado diferentes tecnologías para
el tratamiento de efluentes gaseosos. De forma similar a como sucedió en el
ámbito del tratamiento de aguas residuales años atrás, el tratamiento de
efluentes gaseosos se ha establecido, en gran medida, mediante la utilización de
sistemas físico-químicos. Tecnologías tales como la incineración, oxidación
química, absorción y adsorción han sido utilizadas a nivel industrial para el
tratamiento de efluentes gaseosos de emisiones puntuales de fuentes
estacionarias. Estas tecnologías convencionales adolecen de importantes inconvenientes, tales
como su elevado coste de operación y limitada eficacia. A medida que la
legislación sea más exigente con los límites de descarga, pues desgraciadamente
la legislación actual no es suficientemente restrictiva, estos inconvenientes
adquirirán mayor relevancia.
A
pesar de los grandes esfuerzos e inversiones, la contaminación del aire
continúa siendo un problema ambiental. La búsqueda de sistemas de tratamiento
«medioambientalmente amigos» ha desembocado, en los últimos años, en una
revolución en la utilización de sistemas biológicos para la depuración de
aguas. Esta revolución está todavía por llegar en el campo del tratamiento de
gases, si bien se dispone actualmente de los elementos necesarios para su
materialización. Las técnicas biológicas para el tratamiento de efluentes
gaseosos contaminados tomaron enorme importancia en Europa a partir de la
década de los noventa debido a su eficacia, bajo coste y aceptación desde el
punto de vista ambiental. En países punteros como
Alemania y los Países Bajos en Europa, y Estados Unidos y Canadá en el continente
americano se ha apostado por esta tecnología y ya disponen de notable experiencia
en el desarrollo e implementación de sistemas biológicos de tratamiento de
efluentes gaseosos a nivel industrial. En nuestro país, por el contrario, este
desarrollo se halla todavía en fase embrionaria aunque se dispone ya de algunas
grandes instalaciones industriales tales como el Ecoparc en Barcelona.
La
amplia variedad de procesos que generan efluentes gaseosos contaminados y el
amplio espectro de contaminantes que contienen hace que no exista una
tecnología mejor que otra sino que cada caso debe ser evaluado de forma
específica. De forma general, los tratamientos biológicos son aplicables al
tratamiento de compuestos contenidos en efluentes generados en fuentes
estacionarias de procesos industriales como son los compuestos orgánicos
volátiles (COV) generados por la industria química, petroquímica y alimentaria,
o los compuestos orgánicos reducidos de azufre (CORA) en la fabricación de
papel, esponjas sintéticas y textiles como el rayón. Igualmente importantes son
el tratamiento de los efluentes gaseosos, generados en la industria relacionada
con el tratamiento de residuos, tales como los de las instalaciones de compostaje,
biorremediación de suelos, colectores de aguas residuales, plantas depuradoras
de aguas residuales (tanto urbanas como industriales) o vertederos.
Instalaciones que se caracterizan por generar mezclas complejas de olores,
generalmente debidas a compuestos derivados de la actividad bacteriana en
condiciones anaerobias y a los procesos de aireación habituales en la mayoría
de sistemas de tratamiento de residuos. Por el contrario, las emisiones de
partículas y otros gases de combustión han de ser tratados mediante sistemas de
tratamiento físico-químicos, pues los tratamientos biológicos no son efectivos.
Los
biorreactores para el tratamiento de efluentes gaseosos utilizan la actividad
metabólica de microorganismos para tratar contaminantes en fase gas, los cuales
son fuente de energía y materia, esenciales para el crecimiento microbiano. Los
contaminantes deben ser transferidos de la fase gas a una fase líquida y/o a
una fase de biopelícula antes de ser degradados biológicamente. Para que el
tratamiento biológico sea efectivo, los contaminantes de interés deben ser, en
cierto grado, biodegradables, no tóxicos y presentar cierta solubilidad. De
forma general, el tratamiento biológico es efectivo y económico para bajas
concentraciones de contaminante, normalmente inferiores a 5 g m-3, y
grandes caudales de aire de hasta 5·105 m3 h-1.
En la pasada década y en la actualidad, los bioreactores están siendo
utilizados para el tratamiento de efluentes gaseosos con contaminantes de
naturaleza diversa, desde compuestos inorgánicos como sulfuro de hidrógeno,
amoníaco y óxidos de nitrógeno, a compuestos orgánicos como alcoholes, COV o
compuestos orgánicos clorados; bien como contaminantes únicos o como componente
principal de un efluente gaseoso. En la mayoría de aplicaciones, los
contaminantes que han sido exitosamente tratados en biorreactores son compuestos
de bajo peso molecular y altamente solubles.
Aunque existe cierto número de configuraciones y
alternativas diferentes de biorreactores para el tratamiento biológico de
efluentes gaseosos, durante los últimos años, los utilizados más comúnmente son
los de tipo biofiltro (biofilter) y los biofiltros percoladores (biotrickling
filters) por haber demostrado su eficacia ante un amplio rango de
contaminantes y por su simplicidad y bajo coste de operación. Existen otros
sistemas de tratamiento menos comunes como los biolavadores (bioscrubbers)
y otros más específicos como el tratamiento de gases por difusión a través de
lodos activos (AS Air Difussion). Si bien los mecanismos de eliminación
del contaminante son comunes para todos ellos, los biorreactores se diferencian
en la fase en la que los microorganismos están presentes, ya sea en suspensión
(biolavadores y lodos activos) o bien en forma de biopelícula (biofiltro y
biofiltro percolador) y por el estado de la fase líquida, en forma estacionaria
(biofiltro) o bien en flujo (biolavador, biofiltro percolador y lodos activos).
En cualquiera de los tipos de bioreactores, la caracterización de la
transferencia de materia entre las interfases presentes (gas-líquido,
líquido-biopelícula, gas-biopelícula) es un aspecto clave para mejorar la
eficacia de los sistemas de tratamiento.
El sulfuro de hidrógeno (H2S) es un claro ejemplo
de compuesto tremendamente problemático que es fácilmente tratable mediante
sistemas biológicos. El sulfuro de hidrógeno se genera esencialmente en
procesos industriales como el refinado de petróleo, la fabricación de
papel y pulpa de papel, el procesado de alimentos y en el tratamiento de gas
natural y otros combustibles. Asimismo, es uno de los principales productos
generados en los colectores de las plantas depuradoras de aguas residuales
urbanas y forma parte de la mayoría de los olores generados en otras zonas de
las industrias de tratamiento de residuos. En este ámbito, y desgraciadamente,
en el caso de Cataluña, se ha convertido en la primera causa de accidente
mortal debido a la presencia de gases tóxicos en entornos de trabajo.
El tratamiento tradicional del sulfuro de hidrógeno
ha venido realizándose mediante sistemas físico-químicos, esencialmente torres
de absorción a pH básico, con o sin adición de un oxidante químico. Este tipo
de tratamiento es muy efectivo, aunque sufre importantes problemas tales como
elevados costes de operación y riesgos de accidentes debido a la utilización de
productos químicos y la generación de halometanos, conocidos por su poder
tóxico. Además del incremento de coste por un mayor uso de productos químicos,
la precipitación de CaCO3 y MgCO3 también conlleva una
acumulación en la superficie del relleno del reactor. Es habitual pues, la
realización de lavados periódicos con ácidos como el HCl para evitar la
acumulación de precipitados.
En cualquier caso, las torres de absorción son
efectivas para el sulfuro de hidrógeno pero tienen limitaciones si, simultáneamente,
se pretende la eliminación de COV y compuestos nitrogenados. Así, el NH3
es difícil de eliminar a pH básico y tiende a formar cloroaminas en presencia
de hipoclorito. Desafortunadamente, tanto COV como NH3 son
componentes habituales en efluentes gaseosos junto con H2S en plantas
depuradoras de aguas residuales urbanas lo que limita el tratamiento de olores
en este tipo de instalaciones mediante sistemas físico-químicos de tratamiento.
El tratamiento biológico del sulfuro de hidrógeno se
ha realizado esencialmente en reactores tipo biofiltro percolador y biofiltro,
en este mismo orden en número de aplicaciones. El mecanismo de oxidación biológica depende
esencialmente de la población microbiana del reactor, así como de la
concentración de oxígeno. Cuando la oxidación biológica es completa tiene lugar
la siguiente reacción catalizada por microorganismos autótrofos, aunque el proceso de oxidación es complejo y puede tener
lugar a través de numerosos intermedios:
H2S + 2 O2 « SO42- + 2 H+
La producción de protones implica un continuo
descenso del pH en el interior del reactor a medida que el H2S es
degradado, por lo que es necesaria la adición de agua u otro agente basificante
para mantener el pH del biofiltro percolador dentro de unos valores adecuados.
Los microorganismos encargados de la oxidación de H2S realizan el proceso
a pH bajo, al cual son
tolerantes, y pertenecen habitualmente a especies del género Thiobacillus.
Puesto que las condiciones son hostiles para el crecimiento de la mayoría de
especies microbianas, suelen ser los microorganismos colonizadores mayoritarios
en el interior del sistema. El pH, así como la concentración de sulfato en el
sistema son parámetros críticos durante la operación. De forma general, el pH
de operación debe ser mantenido entre 1 y 3 para asegurar una velocidad de
degradación óptima, aunque se han descrito biofiltros y biofiltros percoladores
en los que la oxidación tiene lugar a pH entre 4 y 8. Igualmente, se ha
determinado que concentraciones de sulfato excesivas, superiores a los 25 g
S-SO42- (kg relleno) -1, son inhibitorias para
los microorganismos sulfuroxidantes.
Una de las limitaciones de los sistemas de
biofiltros y biofiltros percoladores frente a las torres de absorción químicas,
en el caso del sulfuro de hidrógeno, es que los biorreactores requieren
habitualmente tiempos de contacto de entre 10 y 60 segundos, mientras que en columnas de
absorción química la misma eficacia se consigue con tiempos de retención de
entre 2 y 3 segundos. Debido a ello, se requieren biorreactores de mayor
volumen que los de las torres de absorción para tratar iguales cantidades de
contaminante. En consecuencia, es necesario llevar a cabo estudios de la
operación y diseño de los biofiltros percoladores a fin de competir, no sólo
económicamente si no en eficacia, con sistemas tradicionales de tratamiento.
Comparativamente con otras tecnologías para un amplio espectro de
compuestos, una de las principales limitaciones de los sistemas de tratamiento
de gases es la necesidad de un mayor tiempo de residencia del aire en el
interior del reactor para conseguir capacidades de tratamiento similares a las
de los sistemas de tratamiento físico-químicos. Es decir, se requieren reactores
de mayor volumen para tratar idénticos caudales. Es por ello que, en la actualidad, existe una
limitación en la aplicación de este tipo de sistemas, más aún tratándose de una
tecnología emergente comparada con los sistemas físico-químicos plenamente
establecidos y estudiados en las últimas décadas. En
cualquier caso, el tratamiento de aire contaminado requiere de un conjunto de
tecnologías capaz de tratar tal variabilidad de la forma más económica y
efectiva posible en cada caso. Los tratamientos biológicos de efluentes
gaseosos se han demostrado capaces de conseguir la primera de estas premisas,
pero no han demostrado de forma general ser más eficaces que los sistemas
convencionales de tratamiento. Pese a ello, y aunque no se pueda decir que se
trata de una nueva tecnología, el todavía limitado nivel de conocimiento, tanto
de los fenómenos que tienen lugar en el interior del sistema como de la aplicabilidad
a nivel industrial para el tratamiento de efluentes gaseosos complejos indican
que el potencial de estas tecnologías está aún por ser plenamente aprovechado.
De todos modos, recientemente se ha presentado en
Proceedings of
the National Academy
of Sciences la conversión de una torre de absorción en un
biofiltro percolador manteniendo la capacidad de eliminación del sulfuro de
hidrógeno y, lo que es más relevante, manteniendo el mismo tiempo de contacto
en el sistema de tratamiento (PNAS, USA, publicado en Internet:
http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0731894100).
Esto significa dar un paso más en cuanto a competitividad de los sistemas
biológicos frente a los sistemas convencionales de tratamiento de efluentes
gaseosos.
No es, pues, una ficción el tratamiento
biológico de gases, aunque todavía es necesario un mayor desarrollo de los
sistemas de tratamiento y la exploración de nuevas posibilidades para conseguir
mejorar la capacidad de esta tecnología. No hay duda que la reciente aparición
de varios grupos de investigación en nuestro país, en materia de tratamiento
biológico de gases, permitirá la expansión y futura consolidación de esta
tecnología como alternativa a los sistemas convencionales de tratamiento para
un amplio campo de aplicaciones.
David
Gabriel Buguña es licenciado en Ciencias Químicas y doctor en
Biotecnología por la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) desde el 2000.
Actualmente es profesor ayudante en el Departamento de Ingeniería Química de la
UAB.
Más información en la red
Grupo de
Investigación de tratamiento biológico del aire, Universidad de California
del Sur:
http://www-rcf.usc.edu/~bfilter/intro.html
Bibliografía
C. Kennes and M.C. Veiga.: «Bioreactors for waste gas treatment»,
2001, Ed. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands.
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