Comparative evaluation of conventional and innovative biotechnologies for odour abatement in wastewater treatment plants
- Autores: Raquel Lebrero Fernández
- Directores de la Tesis: Raúl Muñoz Torre (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Valladolid ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Fernández-Polanco (presid.), Ana Elías Sáenz (secret.), Herman Van Langenhove (voc.), Domingo Cantero Moreno (voc.), David Gabriel Buguña (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: UVADOC
- Resumen
Como resultado de una legislación ambiental cada vez más estricta, del acercamiento de las zonas residenciales a las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDARs) y del aumento de las expectativas ciudadanas con respecto a los estándares de calidad ambiental exigidos a las compañías que explotan estas EDARS, el número de quejas por contaminación odorífera ha crecido de manera substancial en los últimos años. A pesar de no ser una causa directa de enfermedad, la exposición prolongada a emisiones odoríferas afecta negativamente a la salud humana, además de ser perjudiciales para el medio ambiente. Por lo tanto, la minimización y el tratamiento de dichas emisiones se han convertido en uno de los principales retos de las EDARs. Son muchas las tecnologías que han sido implementadas para el control de las emisiones odoríferas, tanto físico-químicas como biológicas. No obstante, estas últimas son cada vez más empleadas por ser más respetuosas con el medio ambiente y presentar menores costes de operación y elevadas eficacias de eliminación.
Sin embargo, a pesar de las ventajas arriba mencionadas, las eliminaciones de compuestos odoríferos hidrofóbicos en las tecnologías biológicas suelen verse reducidas debido a limitaciones de transferencia desde la fase gaseosa a la biopelícula donde tiene lugar la degradación. Por otro lado, la mayor parte de los estudios existentes emplean compuestos modelo (H2S, NH3), o bien corrientes sintéticas con un único compuesto orgánico volátil (COV) a alta concentración, mientras que las emisiones odoríferas son mezclas complejas de numerosos compuestos a concentraciones traza (mg m-3).
En la presente tesis se realiza una comparación sistemática de la eficacia de diferentes sistemas biológicos (tanto convencionales como innovadores) en el tratamiento de emisiones odoríferas, centrándose en la fracción más hidrofóbica de estas emisiones. Además, se evalúa la influencia de parámetros clave en el rendimiento de desodorización del proceso, la estabilidad y las dinámicas microbianas.
En el primer estudio comparativo se operaron un biofiltro (BF) y un sistema de difusión en lodos activos (ASD) para tratar una corriente de H2S (24-43 mg m-3), butanona (4-6 mg m-3) y tolueno (0.4-0.6 mg m-3) a tiempos de residencia entre 94 y 32 s. Las eficacias de eliminación (RE) fueron similares para ambos biorreactores, con concentraciones de H2S a la salida inferiores a 1.4 mg m-3 y eliminaciones de butanona y tolueno superiores al 95%. Se observó además que el tratamiento simultáneo de agua residual en el sistema de lodos activos no sólo no perjudicó el rendimiento del sistema para el tratamiento de olores, si no que el aporte de fuentes de carbono adicionales fue necesario para mantener la actividad microbiológica del proceso. El reducido espectro de fuentes de carbono alimentado al sistema no afectó a la diversidad bacteriana, que se mantuvo elevada durante todo el periodo experimental. Adicionalmente al estudio del rendimiento de ambos procesos en condiciones estacionarias, se evaluó la robustez frente a fluctuaciones de temperatura (8-30 ºC), incrementos de 3 y 6 veces en la carga nominal de contaminantes, paradas en la alimentación de 5 días y fallos en el sistema de riego del BF y en el de control del pH del ASD. El análisis cuantitativo de robustez demostró la fiabilidad de ambas tecnologías en el tratamiento de emisiones odoríferas procedentes de plantas depuradoras (H2S, butanona, tolueno y alfa-pineno fueron empleados como compuestos modelo a un tiempo de residencia del gas de 50 s), no obstante el ASD presentó una mayor robustez frente a los fallos comunes de operación.
Aunque los BFs se han empleado durante décadas para el tratamiento de corrientes odoríferas, son escasos los estudios orientados a evaluar las eficacias de tratamiento individuales para cada compuesto en corrientes reales. Por otro lado, la información relativa a las dinámicas de formación y emisión de los contaminantes odoríferos también es limitada pero resulta necesaria para un correcto diseño y operación del biorreactor. Por ello, se realizó un estudio con el objetivo de analizar el comportamiento de un BF de compost durante el tratamiento de una corriente odorífera ¿real¿ procedente de un lodo de depuradora, representativa de las emisiones en las etapas de espesamiento, centrifugado y transporte de fangos. Se seleccionaron 8 compuestos de diferente naturaleza (cetonas, terpenos, hidrocarburos, derivados sulfurados y ácidos volátiles). Las RE del limoneno, acetona, butanona y benceno fueron superiores al 99% incluso a tiempos de residencia de 40 s, mientras que el tolueno y el trisulfuro de dimetilo mostraron eliminaciones por encima del 80% a un tiempo de residencia de 60 s. Estos valores de RE se mantuvieron estables a pesar de las fluctuaciones en las concentraciones de entrada observadas. Por otro lado, las reducidas eliminaciones de sulfuro de dimetilo y ácido acético en el biofiltro se atribuyeron a la formación de estos compuestos en zonas anaerobias del material de empaque.
A pesar de los resultados satisfactorios obtenidos para el biofiltro y de las numerosas ventajas de esta biotecnología (sencillez de operación, amplia experiencia de diseño y operación, bajos costes de operación), los elevados requerimientos de espacio derivados de sus altos tiempos de residencia (> 30 s) y la dificultad en el control de los parámetros de operación limitan su aplicación, especialmente en plantas de tratamiento con restricciones de espacio. Por otro lado, los sistemas de lodos activos son económicamente viables exclusivamente en plantas que cuentan con sistemas de aireación por difusión. Una alternativa potencial a estos procesos biológicos la constituyen los biofiltros percoladores (BTF), que presentan bajos costes de operación y menores necesidades de espacio debido a sus bajos tiempos de retención. En este contexto, el efecto del tiempo de residencia en el tratamiento de una corriente odorífera de metil mercaptano, tolueno, alfa-pineno y hexano (concentraciones de entrada de 22, 0.22, 0.23 y 0.28 mg m-3 respectivamente) se estudió en un BTF empacado con espuma de poliuretano a tiempos de residencia de 50, 30, 11 y 7 s. Los resultados confirmaron los altos rendimientos de estos sistemas a bajos tiempos de residencia, con RE> 95% para metil mercaptano, tolueno y alfa-pineno, y RE >70% para el hexano. Sin embargo, a 7 s de tiempo de residencia se observó un deterioro de la actividad microbiológica, y por lo tanto del rendimiento del BTF. La adición de aceite de silicona permitió estabilizar el proceso, y tras la re-inoculación del BTF únicamente se detectó hexano en la corriente de salida, con eliminaciones estables del ~ 80%.
Las limitaciones en el transporte de los compuestos odoríferos hidrofóbicos dan lugar a menores eficacias de desodorización en sistemas biológicos de tratamiento, por lo que su diseño y escalado debe estar basado en datos de transferencia de materia. El modelo desarrollado en la presente tesis permitió caracterizar el potencial de transferencia de un BTF basándose en coeficientes globales de transporte (KLa). Los altos valores de KLa observados en el sistema (35-113 h-1) corroboran los elevados rendimientos de eliminación descritos con anterioridad. Por otro lado, la estimación de los coeficientes individuales situó en la fase líquida la principal resistencia al transporte.
La biodegradación de compuestos orgánicos volátiles con alta hidrofobicidad sigue siendo por tanto la principal restricción de sistemas biológicos como los BTFs. En este sentido, la adición de una fase orgánica no-acuosa a los BTFs convencionales (sistemas bifásicos) ha demostrado incrementar la transferencia de dichos compuestos de la fase gas a los microrganismos, aunque su aplicación al tratamiento de corrientes odoríferas aún no ha sido estudiada. Para evaluar la influencia de una fase orgánica, se operaron paralelamente dos BTFs, uno de ellos con un 30% v/v de aceite de silicona, y se analizó la eficacia de biodegradación de una mezcla de butanona, tolueno, alfa pineno y hexano a tiempos de residencia comprendidos entre 47 y 6 s. Ambos biorreactores alcanzaron RE de butanona, tolueno y alfa-pineno > 96%, independientemente del tiempo de residencia, mientras que el sistema bifásico presentó, en general, mayores eficacias de eliminación de hexano que el BTF convencional. Además, la adición de aceite de silicona resultó en una operación más estable, con una mayor resistencia ante fluctuaciones en las concentraciones de entrada y periodos de inanición. Por otro lado, los fallos en el sistema de recirculación de líquido provocaron un importante deterioro del rendimiento del sistema bifásico, posiblemente debido a disminución en la capacidad de transferencia del sistema.
Los biorreactores de membrana (MBR) aplicados al tratamiento de corrientes gaseosas han emergido recientemente como una alternativa compacta y capaz de superar las limitaciones de transferencia gracias a la elevada permeabilidad y afinidad de algunas membranas por los compuestos más hidrofóbicos. Sin embargo, no existen estudios orientados al tratamiento de corrientes odoríferas en estos MBR. Para ello, se estudió el comportamiento de un MBR de membrana plana para el tratamiento de una mezcla de COVs (acetona, tolueno, limoneno y hexano) a concentraciones comprendidas entre 1.3 y 3.2 mg m-3 y tiempos de residencia entre 60 y 7 s. Mientras que la acetona y el tolueno presentaron RE > 93%, las REs de hexano y limoneno fueron muy inferiores. Para aumentar el transporte y degradación de hexano, se inoculó la membrana con un consorcio hidrofóbico embebido en aceite de silicona y adaptado a la degradación de hexano. Sorprendentemente, la re-inoculación del sistema dio lugar a un incremento en la RE del limoneno, alcanzando valores superiores al 90% a tiempos de residencia de 7 s, mientras que las REs de hexano no se vieron afectadas. Un análisis abiótico posterior del MBR reveló limitaciones en el transporte del limoneno y el hexano, por lo que la selección adecuada de un material afín a los COVs más hidrofóbicos se identificó como un elemento clave en el rendimiento de los MBR.
Finalmente, se realizó un estudio comparativo de tres biotecnologías (BF, BTF y MBR de fibra hueca) alimentadas con una corriente sintética de 5 mg m-3 de metil mercaptano y entre 0.7 y 0.9 mg m-3 de tolueno, alfa-pineno y hexano. REs > 97% fueron registradas tanto en el BF como en el BTF para el metil mercaptano, tolueno y alfa-pineno, siendo algo inferiores (>88%) para el hexano. La operación del MBR estuvo caracterizada por una gran inestabilidad, con eliminaciones elevadas para metil mercaptano y tolueno (>95%), muy variables en el caso del limoneno (39-99%) y reducidas para el hexano (~45%). Esta inestabilidad estuvo correlacionada con los aumentos de caída de presión en el MBR debidos al crecimiento y acumulación de biomasa en el mismo, llegando a alcanzar los 200 cm de columna de agua. Por otro lado, mientras que las caídas de presión en el BTF se mantuvieron inferiores a 30 cm de columna de agua, valores superiores a 1 m fueron registrados en el BF como consecuencia de una compactación prematura del lecho.
