ARTÍCULO DE REFLEXIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES: DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE BIOFILTRACIÓN DE GASES Astrid Altamar Consuegra* RESUMEN Este artículo tiene como objeto presentar las principales consideraciones de diseño para un sistema de biofiltración a escala banco que se implementará en las instalaciones del Laboratorio Ambiental de la Universidad Libre Sede Bogotá. Se seleccionaron las propiedades más representativas de los compuestos orgánicos volátiles (COV s) y teniendo en cuenta éstas, se dimensionaron el biofiltro y los equipos necesarios para suministrar la corriente de aire contaminada con COV. El sistema de biofiltración cuenta con un biofiltro de 4 de diámetro y 80 cm de longitud efectiva, el caudal a manejar es de 181 litros/h (a condiciones estándar de 1 atm y 298 K) con una concentración de 1000 ppm de COV. PALABRAS CLAVE Biofiltración, Compuesto orgánico volátil, COV s, Degradación biológica, Biopelícula, Contaminación atmosférica. ABSTRACT The objective of this article is to show the main considerations to design a bench scale biofiltration system to be implemented in the Environmental Laboratory facilities of the Universidad Libre, Bogotá Campus. The most representative properties were chosen for Volatile Organic Compounds (VOC), and they were used to size the biofilter and the equipment required to supply the COV contaminated air stream. The biofiltration system counts with a 4 diameter by 80 cm effective length biofilter, to manage a volumetric flow of 181 liters/h at 1 atm and 25 o C, with a concentration of 1000 ppm of VOC. KEY WORDS Biofiltration, Volatile Organic Compound, VOC s, Biological Degradation, Biofilm, Atmospheric Contamination. Fecha de recepción del artículo: Fecha de aceptación del artículo: Ingeniera Química, Magíster en Ingeniería Química. Docente Investigador Universidad Libre. 116 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6
INTRODUCCIÓN Durante las últimas décadas ha crecido el interés mundial por la problemática ambiental alrededor de la contaminación del aire y la degradación de los compuestos causantes de efectos nocivos cobra cada día más importancia. Entre esos contaminantes se encuentran los compuestos orgánicos volátiles (COV s) considerados como contaminantes peligrosos del aire causantes de efectos nocivos e irreversibles sobre la salud. La formación del ozono troposférico es un fenómeno provocado por una serie compleja de reacciones en la atmósfera en las cuales los COV s reaccionan con los óxidos de nitrógeno en presencia de luz solar, causando efectos adversos en el hombre, la fauna, la flora y en algunos materiales no biológicos como fibras textiles, colorantes y en algunos casos pinturas. Ante este panorama, resulta necesaria la implementación de tecnologías que permitan la remoción de los contaminantes del aire. Una de las alternativas disponibles y que desde mediados de los 80 s 1 se viene utilizando en Europa es la biofiltración. La biofiltración consiste en hacer pasar una corriente aire a través de un material filtrante tal como compost, suelo, roca volcánica etc. en el cual se encuentran alojados ciertos microorganismos, capaces de degradar los compuestos orgánicos hasta CO2 y vapor de agua. Los biofiltros constituyen una alternativa altamente eficiente y de bajo costo en comparación con otras opciones como oxidación térmica, incineración catalítica o adsorción sobre carbón. Otra ventaja del uso de procesos biológicos son los requerimientos bajos de energía y la poca generación de otros problemas ambientales adicionales como es el transferir el contaminante a otro medio que debe disponerse. Actualmente, se está diseñando un sistema de biofiltración a escala banco para remoción de COV s que será instalado en el Laboratorio Ambiental de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Libre Sede Bogotá y que permitirá hacer estudios sobre los principales COV s generados por diferentes fuentes de emisión. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO El proceso de biofiltración está basado en el metabolismo de los microorganismos, quienes utilizan los COV s como fuente de energía y/o carbón. Inicialmente ocurre la reacción de oxidación (catabolismo), donde los compuestos orgánicos volátiles de alto peso molecular son oxidados a compuestos de bajo peso molecular. La reacción completa produce dióxido de carbono y vapor de agua, pero si no se completa la reacción es posible que se formen compuestos intermedios que hay necesidad de remover. Adicionalmente el CO2 en el gas residual sirve como una fuente de carbón para el anabolismo y así crear nuevas células. Los microorganismos se encuentran en una película líquida formada alrededor de las partículas del material filtrante llamada biofilm tal como se muestra en la Figura No. 1, los contaminantes llegan a allí por un mecanismo de transferencia de masa entre la fase líquida y vapor. Los COV s deben ser fácilmente solubles en el biofilm para que así estén disponibles para los microorganismos ya que la degradación de los mismos ocurre en la fase líquida o biofilm. (Ver figura 2). No solamente los contaminantes difunden en el biofilm, también lo hacen el oxígeno, dióxido de carbono y otros posibles compuestos volátiles bajo la influencia de gradientes de concentración. Para cuantificar esta difusión se ha establecido la ley de Fick: J: Flujo de difusión C J = D Z D: Coeficiente de difusión del compuesto difundiendo. Z: Dirección de la difusión. C Gradiente de concentración en la dirección de : Z la difusión. 1 Van Lith, Chris, Leson Gero. Evaluating Design Options for biofilters. J. Air & Wate Managa. Assoc. 47:37-48. 1997 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6 117
Figura 1. Representación esquemática del biofilm alrededor de la partícula del medio filtrante. Biofilm Material filtrante Flujo de gas Figura 2. Modelo biofísico para el biofilm: transferencia de masa desde la fase vapor hasta la fase líquida. Gas Biofilm Material filtrante La principal reacción que tiene lugar en el biofiltro puede formularse de la siguiente manera: COV + Gases inorgánicos + O 2 CO 2 + H 2 O + COV + agua + minerales + Sales inorgánicas microorganismos microorganismos nuevos + residuos poliméricos + biomasa muerta De acuerdo a esta reacción si se hace llegar la biofiltro un flujo constante del sustrato y nutrientes, se produce un crecimiento exponencial de los microorganismos. A fin de mantener un estado estacionario, el crecimiento ha de controlarse desde el exterior me- diante la limitación de un componente, por ejemplo, los nutrientes (nitrógeno y fósforo). La biomasa producida se separa continuamente. Consideraciones para el dimensionamiento de un sistema de biofiltración. Los principales componentes para un sistema de biofiltración incluyen el preacondicionamiento de la corriente gaseosa, humidificación, distribución del gas de entrada y material filtrante. Preacondicionamiento de la corriente de gas: partículas como polvo, grasas, aceites pueden llegar a obstruir los poros del material filtrante o el sistema de distribución de aire; es por esto que es necesario ubicar equipos de control de partículas como son los lavadores, filtros de tela o cualquier otro que evite la entrada de este tipo de material al biofiltro. La temperatura de operación también es otro factor a considerar, la reacción de oxidación biológica es altamente exotérmica por lo que se presenta evaporación de la humedad del filtro durante la operación causando un incremento en la temperatura del reactor. Dado que los principales microorganismos activos en un biofiltro son las bacterias mesofílicas, que ejercen bien sus funciones en el rango entre 5 y 50 C (con una temperatura óptima de alrededor de 37 C) un incremento exagerado de la temperatura inhibiría su actividad metabólica llegando a ser mortal para las bacterias. La temperatura óptima de operación de un biofiltro se encuentra entre 20 y 40 C y es importante mantenerla no sólo para no afectar el hábitat de los microorganismos sino también porque altas temperaturas disminuyen la solubilidad de los COV s en el agua, es decir habría poca disponibilidad del contaminante y por ende una baja eficiencia de remoción. Humidificación 2 : El contenido de humedad del material filtrante es fundamental para la supervivencia y metabolismo de los microorganismos. Las estrategias para asegurar un porcentaje de hu- 2 Ottengraf, S. P. P. and Van Den Oever. Kinetics of organic compound removal from waste gases with a biological filter. Biotechnology and Bioengineering, Vol 25, 3089-3102, 1983 118 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6
medad adecuado consisten en humidificar el aire de entrada al biofiltro y adicionalmente permitir la entrada de agua, en forma esporádica, para así contrarrestar el calor generado por la reacción. Generalmente el aire de entrada debe tener una humedad relativa superior al 95% y la entrada de agua al biofiltro se realiza por medio de boquillas instaladas en la parte superior del reactor. Sistema de distribución del aire: la principal función de este sistema es dispersar homogéneamente el aire a través del lecho filtrante para esto se utiliza materiales como grava o tuberías perforadas para evitar la canalización. Material filtrante: los lechos filtrantes más utilizados son el suelo y el compost obtenido a partir de lodos activados, madera y otros materiales de origen orgánico. Las consideraciones más importantes en la selección de un material filtrante son. El tamaño de partícula, distribución y estructura de los poros ya que debe proveer una alta área superficial para la población microbial. Un material filtrante con un alto contenido orgánico es recomendable ya que también posee una alta concentración de nutrientes y evita la adición de nutrientes al biofiltro. Se requiere también que exista una baja caída de presión a través del lecho esto se logra añadiendo a algunos filtros como el suelo, que tienen una gran tendencia a la compactación, materiales de soporte estructural como la cascarilla de arroz, esferas de polietileno, o trozos de madera que le dan una mayor porosidad al lecho. La elección del material filtrante no es un trabajo fácil debido a que si sus características propias no son suficientes para proporcionar un crecimiento microbiano óptimo, la necesidad de mejorar estas características por medios artificiales puede tener un impacto adverso en los costos de inversión y funcionamiento de la instalación. Los siguientes criterios podrían tenerse en cuenta para la escogencia de materiales para biofiltración: Contenido inorgánico de nutrientes. Volumen total. Contenido de agua. ph Volumen hueco. Área superficial intrínseca. Propiedades mecánicas. Emisión de olores Costo del empaque y tiempo de vida. DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE BIOFILTRACIÓN El sistema de biofiltración (Ver Figura 3) para remoción de compuestos orgánicos volátiles consiste en: Biofiltro: basados en una carga superficial de contaminante recomendada por la literatura de 30 m 3 /m 2 h para biofiltros removiendo COV s 3 y seleccionando un caudal de operación igual a 240 litros/ hora (a condiciones de 560 mmhg y 18oC), se calcula el volumen del lecho filtrante a utilizar. El volumen calculado es igual a 0.008 m 3, con un tiempo de residencia del aire en el biofiltro de 120 segundos. Teniendo en cuenta la caída de presión que pudiera presentarse en el lecho y el tipo de medio filtrante a utilizar (compost) se seleccionó una altura del lecho de 80 cm y por ende el diámetro del reactor debería ser aproximadamente de 11 cm. Un sistema de distribución de agua se instalará en la parte superior del filtro, para mantener el lecho filtrante en el rango de humedad deseado. Como la zona de entrada de aire contaminado al biofiltro es la de más alta actividad biológica 4 se determinó utilizar un biofiltro de flujo descendente 3 Deshusses, Marc, Devinny Joseph. Biofiltration for Air Pollution Control. Lewis Publisher, Wahington, 1999. 4 Silva, J. Influencia de la humedad y carga superficial en la eficiencia de remoción de H2S en un biofiltro tipo compost. Universidad del Valle, 1999. AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6 119
Figura 3. Diagrama esquemático de un sistema de biofiltración a escala banco. y de esta manera poder contrarrestar de mejor manera la pérdida de humedad. Balance de materia: se realizó un balance de materia para hallar el aire de dilución necesario para obtener la concentración de contaminante deseada. Las variables de diseño las constituyeron: Caudal de aire a manejar de 240 litros/h (181 litros/h en base seca a 298K y 1 atm de presión). Concentración de contaminantes: se seleccionó una concentración de 1000 ppm, se estableció de esta forma ya que rangos de COV`s entre 30-3000 ppm se han publicado 5 como las concentraciones típicas de industrias de solventes, que son las principales generadoras de este tipo de contaminantes. En la figura 4 se presenta un diagrama de bloques que esquematiza el proceso de biofiltración de compuestos orgánicos volátiles, las unidades I, II y III representan los procesos de saturación con agua, saturación con solvente y mezclado respectivamente. El caudal de aire seco (Q s ) en la corriente 6 (Q s6 ) es igual a 181 litros/hora y se considerará igual a Q s1 asumiendo que las pérdidas son despreciables a lo largo de todo el proceso y que el agua y el solvente evaporado no modifican sustancialmente el flujo volumétrico. En la corriente 5 se halla la concentración de saturación del COV en aire igual a 5.03 x 10-3 gmol/litro, esto se realizó tomando como referencia una presión de vapor de 0.12 atm, el cual es un valor típico para COV s. Haciendo un balance de contaminante en III tenemos: Y 5 x Q s5 = Y 6 x Q s6 Y 5 = 0.14 litros COV/litros aire seco. Q s6 = 181 litros/hora Y 6 = 1 x 10-3 litros COV/litros aire seco. El caudal de aire seco en la corriente 5 (Q s5 ) es igual a 1.29 litros/h. 5 De la Fuente, Daniel y Gutiérrez Fernando. Optimización de sistemas de destrucción de COV s. Ingeniería Química, 1998. p 151-158. 120 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6
Figura 4. Diagrama de bloques para el proceso de biofiltración de gases. H = Diferencia de humedades. H1 = Humedad del aire a la entrada del humidificador. H2 = Humedad del aire a la salida del humidificador. ρ = Densidad del aire = 0.8878 kg/m 3 Q s2 = Caudal de aire a humidificar = 0.179 m 3 /h Haciendo un balance de materia en III: Q s5 + Q s3 = Q s6 Se calcula Q s3 = 179.71 litros/h el cual es el caudal de aire necesario para diluir la corriente de aire saturado con solvente hasta obtener concentraciones de 1000 ppm en el caudal de operación. Sistema humidificador de aire: puesto que la entrada de aire al biofiltro debe tener una humedad relativa mayor al 95%, se seleccionó un recipiente burbujeador de aire sobre una columna de líquido para lograr la transferencia de masa del agua de la fase líquida a la fase vapor. El sistema burbujeador es de vidrio sinterizado conocido como microbujía filtrante con tubo estrecho, cuyo valor del diámetro del poro para distribución de gases en líquidos está en el rango de 100-160 µm. La capacidad del recipiente de agua se determinó teniendo en cuenta la humedad relativa del aire entrante. La humedad relativa en Bogotá es de 70% y se quiere obtener un aire con una humedad relativa del 100%. Teniendo en cuenta que la temperatura promedio es de 18oC y haciendo uso de la carta psicrométrica, se determina la humedad absoluta a la entrada y salida del burbujeador. Con este valor, la densidad del aire húmedo y el caudal de aire se halló el volumen de agua absorbido. H1 = 0.008 kg agua/kg aire seco H2 = 0.013 kg agua/kg aire seco V H = H x ρ x Q s2 x θ op V H = Volumen del humidificador. θ op = tiempo de operación = 24 horas. El volumen calculado es 0.019 litros de agua absorbida por el aire durante 24 horas de operación. Se seleccionará un recipiente de 1 litro con dimensiones de 7 cm de diámetro y 60 cm de altura aproximadamente. Las anteriores dimensiones están dadas para favorecer la transferencia de masa al ascender la burbuja de aire por la columna de agua. Generación de la corriente de aire con COV: para lograr una corriente de aire con la concentración de contaminante adecuada, se seleccionó un burbujeador de aire en COV, de características similares al humidificador. La capacidad del recipiente burbujeador se determinó hallando la humedad de saturación del solvente en aire a temperatura ambiente (18oC). Se seleccionó un COV con una presión de vapor igual a 0.12 atm como representativo de los contaminantes a degradar. El aire a la entrada no contiene solvente, a la salida se halló la humedad de saturación del COV en aire a partir de su presión de vapor, por consiguiente: H2 = 0, 474 kgcov kgas V S = H x ρ x Q s4 x θ op V S = Volumen del recipiente con solvente. H = Diferencia de humedades. H1 = Humedad del COV en aire a la entrada. H2 = Humedad del COV en aire a la salida. ρ = Densidad del aire = 0.8878 kg/m 3 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6 121
Q s4 = Caudal de aire a saturar con solvente = 1.29 x 10-3 m 3 /h θ op = tiempo de operación = 24 horas. El volumen calculado es de 0.013 litros. Se seleccionará un recipiente de 500 ml de capacidad con dimensiones de 5cm de diámetro y 40 cm de altura. Las anteriores dimensiones están dadas para favorecer la transferencia de masa al ascender la burbuja de aire por la columna de COV. Dimensiones del mezclador: para mezclar adecuadamente los gases antes de entrar al biofiltro, se determinaron las dimensiones de un mezclador en el cual se homogenizaron las corrientes de aire humidificado y con COV. De acuerdo a estudios previos 6 se ha determinado que el tiempo ideal de mezclado de los gases es de 4.5 segundos. Teniendo en cuenta lo anterior y con el valor de caudal de operación se halló la capacidad del recipiente mezclador: V M = τ x Q s6 V M = volumen del mezclador. τ = tiempo ideal de contacto. Q s6 = caudal de operación. El volumen del mezclador es de 600 cc. Si consideramos que es un cilindro y suponemos que la altura es dos veces el diámetro entonces las dimensiones del mezclador son de 8 cm de diámetro y 16 cm de altura. En la Tabla No. 1 se resumen las dimensiones de cada uno de los equipos que componen el sistema de biofiltración. Tabla 1. Dimensiones de los equipos que componen el sistema de biofiltación. Equipo Dimensiones Diámetro/Altura Volumen Biofiltro 4 /80 cm 8 Lt Burbujeador Agua Burbujeador Solvente El reactor biológico de flujo pistón a escala banco, se diseñó teniendo en cuenta recomendaciones de la literatura donde se presentan experimentaciones con diferentes COV s, se espera hallar las capacidades de eliminación para el contaminante o grupo de contaminante específicos a tratar y con esta información escalar el biofiltro teniendo en cuenta el conocimiento del fenómeno de biodegradación involucrado. CONCLUSIONES 7 cm/60 cm 0.05 Lt 5 cm/40 cm 0.034 Lt Mezclador 8 cm/16 cm 0.6 Lt Los compuestos orgánicos volátiles son considerados contaminantes peligrosos del aire, por lo cual tecnologías como la biofiltración constituyen una alternativa a la eficiente remoción de dichos contaminantes. La biofiltración resulta eficiente siempre y cuando se traten altos caudales de aire y bajas concentraciones de contaminantes que sean altamente solubles en agua, como lo son la mayoría de los compuestos orgánicos volátiles. El diseño del sistema de biofiltración realizado y la selección del material filtrante representa una alternativa de solución de bajo costo al alcance de industrias que durante sus procesos de producción emiten al aire estos contaminantes peligrosos. 6 Martínez, Alvaro y otros. Diseño y construcción de un biofiltro a escala piloto para el tratamiento de olores y COV s. ECOPETROL Instituto Colombiano de Petróleo. 122 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6
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