SISTEMA PARA EL CONTROL DE OLORES EN LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA EL PARAISO

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1 SISTEMA PARA EL CONTROL DE OLORES EN LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA EL PARAISO NOMBRE DE LOS AUTORES Rodolfo Quintero Romero (1) Ingeniero Agrónomo de la Universidad Nacional de Palmira, Master en Economía Ambiental y de los Recursos Naturales de la Universidad de Agricultura de Suecia; Especialista en Derecho del Medio Ambiente; Curso Internacional Auditor Líder EMS ISO IRCA años de experiencia en los sectores publico y privado. Jefe División Medio Ambiente de Emgesa. Carolina Del Toro Hernández (2) Ingeniera Civil de la Universidad de los Andes con Master Ing. Civil en el Área Ambiental; Curso Internacional Auditor Líder EMS ISO IRCA. Cinco años de experiencia en los sectores público y privado: Asesora de la Corporación Autónoma de Cundinamarca CAR. Profesional División Medio Ambiente de Emgesa. Dirección (1): Carrera 11# Piso 3 Chicò Bogotà Cundinamarca Código postal Colombia -Tel: (+571) Fax: (+571) ; rquinter@emgesa.com.co RESUMEN En diciembre de 2001 Emgesa decide implementar la tecnología de biofiltración en la Central El Paraíso, con el fin de mitigar el impacto asociado a la percepción de olores ofensivos en las comunidades ubicadas en los alrededores. Los olores se generan por el despojamiento del sulfuro de hidrógeno de las aguas turbinadas del río Bogota, caracterizado por su déficit de oxigeno disuelto y la consecuente anaerobiosis de sus aguas. En éste trabajo se documenta la experiencia de Emgesa en su incursión en la implementación del sistema de biofiltración, los resultados obtenidos durante el 2005, y su comparación con la línea base de emisión de olores, previa a la construcción del sistema. La información presentada presenta el aporte significativo de este proyecto al desarrollo de la biofiltración en Colombia, por ser la más importante experiencia, a escala industrial, desarrollada en el país. PALABRAS CLAVE BIOFILTRACIÓN Proceso biológico utilizado para el tratamiento de compuestos volátiles orgánicos e inorgánicos presentes en una corriente o fase gaseosa, ANAEROBIOSIS Condición de ausencia de oxígeno en la que la materia orgánica es degradada produciendo dióxido de carbono, metano y ácido sulfhídrico, COMPOST Material proveniente de la degradación de materia orgánica en presencia de oxigeno (compostaje) de residuos de cultivos de flores.

2 INTRODUCCIÓN La Central Hidroeléctrica El Paraíso está localizada en inmediaciones de la población de Mesitas del Colegio, departamento de Cundinamarca, a 45 km al suroeste de Bogotá. La Central hace parte de la Cadena Pagua la cual aprovecha el caudal del río Bogotá para la generación en cascada de dos centrales: EL Paraiso y La Guaca. El agua del río es bombeada al embalse de El Muña para ser conducida a través de aproximadamente 15 km de tubería, aprovechando una caída de agua de 892 m, desde del embalse del Muña hasta la Central El Paraíso. La Cadena se encuentra en operación comercial desde 1986, desde entonces la calidad del agua del río Bogotá ha cambiado drásticamente. Éste cuerpo de agua recibe las descargas de aguas residuales de todos los municipios ubicados en su cuenca alta y, en su cuenca media, la descarga de las aguas servidas de la ciudad capital: Bogotá. En la actualidad el Río, a la altura del embalse del Muña (ubicado en el extremo sur occidental de la ciudad) se caracteriza por su déficit de oxigeno disuelto y la consecuente anaerobiosis de sus aguas con los problemas de indisponibilidad del recurso y mala calidad asociados a ésta. Las aguas tubinadas durante el proceso de generación en la Central El Paraíso son descargadas a un Tanque de Aquietamiento, estructura construida como una piscina abierta en concreto de 42m de longitud, 21m de ancho y 9,5 m de profundidad donde reposan las aguas turbulentas antes de ser conducidas a la Central La Guaca. El turbinado favorece las condiciones para el transito del sulfuro de hidrógeno (H 2 S), de su fase acuosa a una gaseosa, generando emisiones de malos olores y presencia de corrosión en los alrededores; impacto que se evidenciaba al máximo en el Tanque de Aquietamiento. DESCRIPCION DEL PROCESO Los procesos utilizados para remover H 2 S de corrientes gaseosas residuales involucran ya sea un tratamiento físico o una oxidación química. Algunos métodos tradicionales requieren la adición de químicos, mientras que otros, demandan un alto consumo de energía. Estos métodos tradicionales suelen ser menos efectivos y más costosos. En los últimos años la biofiltración se ha desarrollado efectivamente para el control de olores, incluyendo emisiones de H 2 S en corrientes de gases residuales diluidas. A pesar de que la biofiltración ha demostrado ser una tecnología eficiente, práctica y simple para el tratamiento de efluentes gaseosos, los parámetros de diseño y operación, como también los procesos microbiológicos que envuelve no están muy bien definidos. Durante el proceso (figura 1), el aire contaminado pasa a través de los macroporos del material filtrante. La degradación de los contaminantes ocurre previa transferencia del aire a una biopelícula en donde son utilizados como fuente de carbono y energía (compuestos orgánicos) o como fuente de energía (compuestos inorgánicos). La utilización implica producción de biomasa y la oxidación parcial o total del contaminante. A su vez, la biomasa, bajo ciertas condiciones sufre una oxidación por respiración endógena. De esta manera, los procesos de biofiltración dan lugar a una descomposición completa de los contaminantes, creando productos no peligrosos. Figura 1: Esquema del sistema de biofiltración.

3 Los mecanismos que permiten que un biofiltro trabaje, y que deben controlarse para garantizar su éxito, son complejos. El biofiltro contiene un material poroso cuya superficie esta cubierta con agua y microorganismos. El tratamiento inicia con la transferencia del contaminante desde al aire hasta la fase acuosa. El contaminante disuelto se mueve por difusión y por advección en el aire (ver figura 2). Figura 2. Dinámica del proceso de biofiltración IMPLEMENTACION DEL SISTEMA En diciembre de 2001 Emgesa decide implementar la tecnología de biofiltración en la Central El Paraíso como un sistema para reducir, en un porcentaje superior al 90%, las emisiones de sulfuro de hidrógeno en el Tanque de Aquietamiento y mitigar el impacto generado por la percepción de olores ofensivos en los alrededores de la Central. Las obras finalizaron en enero de 2003 con la puesta en marcha de una unidad de biofiltración constituida por: un sistema de confinamiento (cubrimiento del tanque de aquietamiento) y conducción del gas (tuberías PVC), un sistema mecánico para la extracción activa del gas por medio de tres extractores y un sistema biológico constituido por dos lechos en tierra (denominados A y B aislados del suelo natural con geomembrana) constituidos por una mezcla de suelo orgánico y gallinaza como medio de soporte. En las Figuras 3.1 y 3.2 se observa la configuración del Sistema original. Durante los seis primeros meses el sistema original operó aceptablemente evitando que el olor a H 2 S fuera perceptible en la Central y sus alrededores. A partir del sexto mes empezaron a presentarse fallas tanto del sistema mecánico como del biológico con la consecuente disminución de la eficiencia de remoción obtenida. Las fallas presentadas pusieron en evidencia la poca experiencia práctica disponible sobre la operación y mantenimiento de biofiltros a largo plazo en zonas tropicales, la escasa literatura en el tema y la necesidad de establecer metodologías de prueba y error en la aplicación de correctivos para estabilizar las condiciones óptimas de operación. Figuras Sistema de biofiltración original

4 Durante el 2004 se plantearon diversas hipótesis sobre el origen de las bajas eficiencias presentadas y sus correctivos asociados y se implementaron múltiples medidas que no ofrecieron los resultados esperados: generaban periodos cortos de recuperación de la eficiencia que demostraron no ser sostenibles en el tiempo. En octubre de 2004 se inició un programa de optimización que contemplaba la implementación de un sistema mejorado que permitiera: homogeneizar las condiciones de carga y caudal para la operación de varios biofiltros de igual volumen, operando en paralelo, de tal forma que se facilitara la realización de los mantenimientos permitiendo intervenir un lecho a la vez sin tener que suspender la operación de todo el sistema. En febrero del 2005 entra en funcionamiento el sistema optimizado con una configuración de cuatro lechos abiertos, con bases y paredes en concreto recubierto para protegerlo de la corrosión, alimentados por un cabezal de repartición que distribuye la mezcla homogénea del gas a cada biofiltro y, mediante válvulas independientes, impide el ingreso del gas a cualquiera de ellos sin afectar a los demás. Cada uno de los biofiltros se conformó con un lecho de 106 m3 de una mezcla 30 / 70 de compost de palo de clavel y de rosa, respectivamente. En las figuras 4.1 a 4.4 se presenta la configuración del sistema implementado. Figuras Sistema de biofiltración optimizado Las obras de optimización contemplaron: Construcción de dos biofiltros de iguales dimensiones (#3 y #4) a partir del antiguo biofiltro B Adecuación del antiguo biofiltro A, hoy nuevo biofiltro # 2 y construcción del biofiltro #1 Optimización del sistema de distribución del gas (instalación de un cabezal para confinamiento y distribución homogenea de carga y caudal) Construcción de pisos en concreto y canaletas para encofrar la tubería del anillo de distribución del gas en todos los biofiltros y mejoramiento del sistema de drenaje Construcción de estructura en concreto y tubería metálica para soporte del sistema de nebulización y una carpa en lona para cubrimiento de los 4 biofiltros Este sistema de cuatro biofiltros iguales operando en paralelo bajo las misma condiciones de carga y caudal, ofrece una superficie de tratamiento equivalente a 400m2 para tratar una carga de H2S

5 equivalente a 18.7 g/m3-h, permite la depuración de los gases 1 mediante la remoción de los contaminantes responsables de la generación de olores ofensivos. Los cuatro biofiltros están en capacidad de tratar en conjunto, el volumen total de gas extraído del tanque de aquietamiento, fueron diseñados bajo los siguientes criterios: La carga de sulfuro de hidrógeno a tratar en ellos no debe ser mayor a 20 g/m3-h. Igualmente el tiempo de residencia no debe ser inferior a 15 segundos con un tiempo de residencia en lecho vacío de 30 seg. Altura calculada en 1 metro a partir de un tiempo de residencia en lecho vacío de 40 segundos (valor de seguridad) Lechos conformados con una mezcla 9:1 de compost de palo de clavel y palo de rosa como material de soporte. El compost de clavel fue tamizado para retirarle partículas menores de 4 mm y se seleccionó el de palo de rosa con el fin de utilizar un tamaño de partícula entre 5 y 10 cm de longitud para mejorar la porosidad y dar estructura al lecho. Figura 5. Perfil de las unidades de biofiltración TALUD PIEDRA PEGADA COLUMNA PASARELA SOCADO EN CONCRETO POBRE RELLENO MATERIAL GRANULAR Y CICLÓPEDO 2 VIGA ESPESOR VARIABLE.3.3 CICLÓPEO 140 kg/cm² TERRENO NATURAL MEDICIONES Y SEGUIMIENTO A LA EFICIENCIA DEL SISTEMA Como antesala al diseño y construcción del Sistema se llevó a cabo, por parte de la firma contratista, una campaña de medición de los gases liberados en los alrededores de la Central, cuyos resultados sirvieron como referencia para el diseño y construcción del Sistema de Biofiltración de la central El Paraíso y para establecer la línea base de emisión de gases azufrados. Después de su entrada en operación se han realizado diferentes jornadas de monitoreo de las concentraciones de H2S en los alrededores de la Central para la medición de las emisiones residuales, provenientes del sistema de biofiltración. Como metodología para el monitoreo y seguimiento de las emisiones de H2S, se implementó un protocolo de monitoreo que garantice la medición confiable de las concentraciones de sufuro de hidrógeno residual en el aire ambiente de los alrededores de la central Paraíso, en un perímetro de afectación equivalente a un radio de 1 km, aproximadamente, alrededor del Tanque de Aquietamiento. 1 El H2 S es el principal gas asociado con la generación de olores ofensivos, no obstante la contaminación de río Bogotá genera la volatilización de otros compuestos gaseosos mercaptanos, tolueno, benceno, metano etc.

6 Los monitoreos se realizan bimestralmente 2 para un total de 6 monitoreos al año. En cada punto, se realizan mediciones en tres intervalos del día (mañana, tarde y noche) durante tres (3) días consecutivos con la Central en generación. Para el monitoreo se empleará un equipo de medición con precisión de 0,001 ppmv y rango de 0,003 a 50,0 ppmv. (marca Jerome 631-X) con el fin de registrar concentraciones bajas cercanas al límite inferior del umbral de percepción humano. Adicionalmente y con el fin de realizar el minucioso seguimiento de los parámetros relevantes para la operación del sistema se implemento una rutina de mediciones diarias de los parámetros de control cuyo seguimiento es clave para mantener la eficiencia de un biofiltro. Dichos parámetros y su importancia se describen a continuación y en la Tabla 1, se resumen las condiciones de operación en los que debe operar el biofiltro para su seguimiento: Humedad: El contenido de humedad en un biofiltro es quizá el parámetro más importante bajo el control del operador. El descuido en el contenido de humedad o las dificultades para controlarla son las causas más comunes de mal funcionamiento de los biofiltros. Una humedad adecuada garantiza el establecimiento de las comunidades microbiológicas responsables de la degradación de los contaminantes gaseosos; por el contrario, un bajo contenido de humedad equivale a un medio hostil para el desarrollo de las mismas. La medición de éste parámetro se realiza utilizando una balanza halógena. El cálculo del contenido de humedad del material de soporte se realiza con base en lo establecido en la NTC a partir de la diferencia de peso de la muestra con respecto a su peso seco (base seca). Temperatura: La actividad microbiana y el éxito de un biofiltro están altamente influenciados por la temperatura. El conjunto de reacciones fisicoquímicas que se llevan a cabo en los biofiltros, para la degradación del H2S, son óptimas cuando la temperatura se incrementa. La temperatura del material de soporte se mide, directamente sobre el sustrato a 50cm de profundidad, utilizando un sensor de temperatura. ph: El efecto del ph sobre el funcionamiento del biofiltro es muy similar al efecto de la temperatura. Cada especie de microorganismos es más activa en cierto rango de ph y puede ser inhibida o morir si las condiciones salen de ese rango. El ph se determina, directamente sobre el sustrato, utilizando un equipo de medición portátil con electrodo de cloruro de potasio. Concentración de H2S: La medición periódica de la concentración de H2S en el efluente permite calcular la eficiencia del tratamiento, verificar que se mantenga en valores superiores al 90% y establecer la efectividad del mismo. Para efectos del cálculo de la eficiencia del sistema se considera una concentración entrante de 500 ppmv calculada a partir de los valores de concentración máxima (1000 ppmv según mediciones previas a la construcción realizadas por ESCO de Latinoamérica ) y mínima registradas (250 ppmv, de acuerdo con mediciones de la Universidad de los Andes en el 2005) y considerando la dilución, con aire ambiente, presentada al interior del Tanque de Aquietamiento. Tabla 2. Rangos de operación y parámetros de control para un biofiltro típico Altura del lecho m Área del biofiltro m2 Caudal de aire m3/h Porosidad 50.0 % Tiempo de residencia efectivo seg Temperatura Humedad relativa del aire > 98 % Eficiencias de remoción típicas % Contenido de humedad del soporte % ph del soporte Las mediciones se realizan siempre que haya generación de energía a plena carga, bajo las condiciones más criticas de liberación de H 2 S. 3 Norma Técnica Colombiana para la determinación del contenido de humedad total.

7 RESULTADOS En éste resumen se presentan los resultados obtenidos en el primer año de operación del sistema de biofiltración optimizado en el 2005, y su comparación con el Sistema instalado originalmente (2001). En este contexto la información presentada representa un aporte significativo al desarrollo de la biofiltración en Colombia, por ser una de las pocas aplicaciones a escala industrial instaladas en el país. Los monitoreos operativos realizados diariamente como parte del seguimiento de los biofiltros, durante el periodo comprendido entre la puesta en marcha del sistema optimizado (febrero-05) y enero del 2006, registraron eficiencias de remoción promedio superiores al 93%. Con la operación del sistema de biofiltración implementado se encontró que la eficiencia de remoción se máximiza cuando el contenido de humedad es igual o mayor al 50 % p/p y el rango de ph se mantiene entre 1.5 y 2 es el óptimo para obtener la mayor remoción de H2S posible. La mezcla de compost utilizada como material de soporte ha presentado un buena capacidad de adsorción de agua, alta porosidad y resistencia estructural. No obstante debe trabajarse en una mejor relación de mezcla que mejore las condiciones de porosidad del material a largo plazo evitando su compactación y consecuente caída de presión. Después de 9 meses de operación continua de los biofiltros se empezó a detectar la presencia de terrones de compost compactado los cuales, en su interior, tenían un polvo de color amarillo. Los terrones pusieron en evidencia la presencia de azufre elemental al interior del material de soporte como producto de las reacciones de oxidación realizadas al interior de los lechos. De lo anterior se pudo concluir que el equilibrio de las reacciones de oxido reducción en el sistema, tendió hacia la producción de azufre antes que a la precipitación de sulfatos, lo cual resulta favorable si se tiene en cuenta que se disminuye el porcentaje de sulfatos susceptible de convertirse en vertimiento ácido en caso presentarse un exceso de agua en el sistema. Grafica 1. Eficiencias de remoción del sistema de biofiltración 100 E. R, % EFICIENCIA DE REMOCION % E. R (Cin=500ppm) E. R (Cin=250ppm) 28/02/05 14/03/05 28/03/05 11/04/05 25/04/05 09/05/05 23/05/05 06/06/05 20/06/05 04/07/05 18/07/05 01/08/05 15/08/05 29/08/05 12/09/05 26/09/05 10/10/05 24/10/05 07/11/05 21/11/05 05/12/05 19/12/05 Periodo de estabilización del Sistema de biofiltración Por otra parte, los monitoreos realizados en los exteriores de la Central Paraíso evidencian que el sistema de biofiltración cumple con las expectativas de eficiencia para las que fue concebido (por encima del 90%). En la tabla 2 se observa, al comparar los monitoreos con la línea base (antes de la implementación del sistema de biofiltración original), que la mayor eficiencia de mitigación se obtiene en los monitoreos realizados después de la optimización del Sistema (febrero de 2005).

8 Tabla 2. Comparativo de los monitoreos de concentraciones registradas en los alrededores de la Central Paraiso con la línea base. Punto Monitoreo Linea Base Bioservice Dic- C. inicial H 2 S 03 (p.p.m.) C. H2S (p.p.m.) REDUCCION EMISIONES% Monitoreo Velzea Abril- 05 C. H 2 S (p.p.m.) REDUCCION EMISIONES% Monitoreo Emgesa Julio - 05 C. H 2 S (p.p.m.) REDUCCION EMISIONES% Monitoreo Emgesa Octubre -05 C. H 2 S (p.p.m.) REDUCCION EMISIONES% Casino 0,544 3,000 0,005 99% 0,032 94% 0,007 99% Escalera de la Rebosadero (parte 55,500 8,333 85% 0, % 0, % 0, % Esquina tanque de aquietamiento 80,444 7,000 91% 0, % 0, % 2,154 97% Anclaje 19 de tubería de carga 49,778 8,000 84% 0,629 99% 0,493 99% 0, % Pondaje 0,344 0, % 0,007 98% 0,022 94% 0,014 96% Casa Ricardo Mora 0,166 0, % 0,005 97% 0,005 97% 0,051 69% Escuela El Paraíso 0,220 0, % 0,015 93% 0,007 97% 0,015 93% Casa Graciela Linares 0,100 0, % 0,004 97% 0,003 97% 0,004 96% Casa de Carlos Julio Hernández 0,289 10, % 0,003 99% 0,004 99% 0,006 98% Escuela Antioqueñita 0,000 2, ,003-0,003 - PROMEDIO 94% 98% 98% 94% Percepción del olor a H2S: No se percibe olor 0,003 0,006 Olor suave 0,007 0,030 Olor moderado 0,031 0,150 Olor fuerte 0,160 La biofiltración, involucra procesos biológicos de degradación difícilmente reproducibles al momento de cambiar las condiciones del entorno. Lo anterior dificulta, en gran medida, el establecimiento de protocolos de operación y mantenimiento lo que la convierte en una tecnología en desarrollo y de implementación casi experimental. Determinar las condiciones en que se maximiza la eficiencia de un biofiltro particular, requiere de un seguimiento estricto a los parámetros de control, así, mediante la realización de monitoreos diarios y el minucioso seguimiento de los cambios que se presenten en su operación es posible determinar un patrón de funcionamiento y por ende establecer y predecir los requerimientos de dicho Sistema. Los sistemas de biofiltración son únicos e irreplicables. Sin embargo, cada nueva incursión en la aplicación industrial de esta tecnología nos acerca un poco más al entendimiento de las variables que aseguran el óptimo funcionamiento de estas unidades; que aunque han demostrado ser una alternativa eficiente, práctica y eficaz para el tratamiento de efluentes gaseosos, en países tropicales como el nuestro, no tiene muy definidos los parámetros para su diseño y operación.

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