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Informe de avance de proyecto de Investigación.

Titulo del proyecto: “CONTROL Y ELIMINACIÓN DE VOLÁTILES PROVENIENTES DE UN DIGESTOR ANAEROBIO MEDIANTE UN PROCESO DE BIOFILTRACIÓN”.

Clave del proyecto: CGPI20051854

Responsable: Dra. Elvia Inés García Peña

Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología.

Grado de avance 100%

Resumen. La disposición, tratamiento y manejo de grandes volúmenes de residuos sólidos genera una serie de problemas que deben ser solucionados mediante el uso y aplicación de tecnologías disponibles para ser implementadas con relativa rapidez, facilidad y que no impliquen gastos de inversión altos. Una alternativa biológica interesante para el tratamiento de residuos sólidos es la digestión anaerobia, ya que mediante este proceso la materia orgánica será transformada a biogás, el cual esta compuesto por CO2 y metano, este último constituye una fuente de energía alternativa. La digestión anaerobia ha sido ampliamente estudiada y existen numerosas aplicaciones en Europa y Norte América. Sin embargo, una de las desventajas de los procesos anaerobios es la generación de un gran número de compuestos que generan malos olores, entre los que se encuentran una diversidad de compuestos (ácidos grasos volátiles AGVs, compuestos azufrados H2S). Si bien los malos olores no resultan tóxicos, en las concentraciones en las que se producen durante la operación de digestores anaerobios, causan una serie de problemas de salud y malestar público. Actualmente no existen regulaciones que controlen la emisión de estos compuestos en plantas de tratamiento de aguas residuales, rellenos sanitarios y/o mataderos (producción de carne y otros productos). Las constantes quejas de la gente que vive en los alrededores de las fuentes de emisión y los recientes estudios que demuestran sus efectos negativos sobre la salud, llevaran a la generación de una regulación al respecto, tal y como esta sucediendo en otros países. De esta forma, la aplicación de un proceso de digestión anaerobia requerirá el acoplamiento de un sistema de control y eliminación de los compuestos que ocasionan los malos olores. La implementación y el estudio de un sistema de biofiltración para eliminar compuestos que generan malos olores producidos en un digestor anaerobio fueron desarrollados a lo largo de este periodo. Introducción Los actuales problemas ambientales implican grandes retos al tener que resolver situaciones de campo que implican el uso y aplicación de todo el conocimiento que ha sido generado durante varios años de investigación. Específicamente el manejo, disposición y tratamiento de residuos sólidos y la contaminación de aire son problemáticas que requieren la aplicación de tecnologías efectivas y “limpias”, es decir que su aplicación no genere problemas secundarios o de cambio de fase de la contaminación.

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Las altas densidades poblacionales y la importante actividad industrial, económica y de servicios de la zona metropolitana del valle de México ocasionan que estos problemas constituyan un verdadero reto para los sistemas de disposición de residuos, así como para las tecnologías de control y tratamiento de contaminantes gaseosos. Por citar un ejemplo solo en la Central de abastos se generan hasta 700 ton/día de residuos vegetales que están constituidos en muchos casos por productos en buen estado, pero que debido a los altos costos de almacenamiento son desechados, estos grandes volúmenes de residuos vegetales son depositados en el relleno sanitario de Bordo Poniente. La capacidad de la infraestructura actual se esta agotando por lo cual se requiere el planteamiento y aplicación de tecnologías que permitan soluciones eficientes y fáciles de aplicar. La digestión anaerobia de residuos constituye una buena alternativa para la estabilización de residuos sólidos, ya que la materia orgánica presente será transformada a biogás, compuesto básicamente por CO2 y metano, el cual posteriormente puede ser utilizado como fuente alternativa de energía. La manipulación y tratamiento de residuos sólidos, en general implica la generación de malos olores, esto es particularmente problemático para procesos anaerobios por lo que se plantea el acoplamiento de un sistema de eliminación de los malos olores. De esta forma se establecerán soluciones integrales que no generen problemas secundarios, ya que si bien los malos olores no son producidos por sustancias altamente tóxicas constituyen un problema de salud y malestar. Las plantas de tratamiento de aguas residuales, tecnologías de estabilización de desechos municipales, operaciones de obtención de productos animales (mataderos, producción de lácteos, etc) son fuente de malos olores, tales como sulfuro de hidrogeno (H2S), metil mercaptano, dimetil sulfuro (DMS) amonio y etilaminas. Además del problema característico de desagrado que causa la presencia de estos compuestos, se han detectado varios efectos negativos sobre la salud como dolores de cabeza, nausea, irritación en ojos y parálisis. Debido a lo anterior severas regulaciones deberán ser impuestas para el control de este tipo de emisiones (Shareenfdeen y col., 2003). Los procesos anaerobios de tratamiento de aguas y de residuos sólidos municipales operados en rangos termofilicos (55 a 70ºC) han mostrado ser no agresivos con el medio ambiente y económicos ya que el calor requerido es generado por acción bacteriana, se requiere poca adición de químicos y los productos finales pueden ser dispuestos al medio ambiente sin restricciones de manejo debidos a patógenos (Pride, 2002, Bolzonella y col, 2003). Sin embargo como se señalo en párrafos anteriores el principal inconveniente de dichos procesos es la producción de malos olores. Los compuestos generados incluyen mercaptanos (1 a 50 ppm), dimetil disulfuro y dimetil sulfuro (0.5 a 40 ppm) y altas concentraciones de amonio (el cual puede alcanzar niveles de hasta 1400 ppm). Los tres primeros son altamente insolubles y por tanto difíciles de tratar por métodos convencionales. Estos problemas han sido resueltos aplicando soluciones de costos elevados, tales como tres etapas de secuestramiento. Algunas compañías han instalado biofiltros en los sistemas de digestión anaerobia, dependiendo del rango de compuestos mal olientes producidos durante el proceso anaerobio. Estos no han mostrado problemas de acumulación de malos olores hasta en 11 años de operación, algunos de los procesos anaerobios se encuentran localizados en zonas habitadas y habían sido el blanco de numerosos reclamos por los malos olores antes de la instalación y operación de los biofiltros (Pride, 2002). La experiencia acumulada demostró que el diseño de los biofiltros permite tratar los malos olores provenientes de digestión anaerobia a bajos costos, baja inversión en mantenimiento y eliminar eficiente el problema de molestias debidas a malos olores (Wani y col., 1999).

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Los problemas de malos olores se han ido incrementando. Existen varias razones para ello, la más evidente resulta que las industrias y plantas de tratamiento construidas en los alrededores de centros de congregación poblacional han sido alcanzadas por áreas de alta densidad poblacional que han ido creciendo. Varias técnicas de control de olores han sido aplicadas exitosamente en plantas de tratamiento de aguas residuales algunas de ellas incluyen los scrubbers químicos, el uso de carbón activado y los biofiltros. La aplicación de biofiltros en Norte América es reciente. Sin embargo esta tecnología ha sido ampliamente usada en Alemania y Holanda por alrededor de 40 años. Los biofiltros ofrecen una solución de operación simple, a bajos costos y aplicable a una gran variedad de problemas de olores. Los biofiltros son sistemas simples en los cuales el aire conteniendo las sustancias responsables del mal olor deben ser humidificadas cerca de 100%. El aire es entonces forzado a pasar a través de una cama de filtración (empaque) donde los microorganismos adheridos al soporte asimilan y eliminan los compuestos responsables del mal olor, esencialmente oxidándolos a compuestos mas simples y que no ocasionan mal olor (Leson y Winer, 1991; Devinny, 1999). A través de una extensa experiencia de investigación en laboratorio y a nivel piloto para entender los procesos de biofiltración de corrientes residuales que contienen compuestos que generan malos olores, numerosos biofiltros comerciales han sido diseñados e instalados en Norte América (Shareefdeen y col., 2003; Adler 2001; Gao y col., 2001). La compañía Ambio Biofiltration Ltd ha llevado a cabo la instalación de biofiltros desde 1990 para el tratamiento de compuestos de azufre reducidos en altas concentraciones y amonio (Staton y col, 2001). Algunos ejemplos de la instalación de estos sistemas se encuentran en Long Sault, Ontario, donde el biofiltro se empezó a operar en 1994 y el material filtrante fue reemplazado después de 5 años de operación (Higgot y col, 1996); en McMinnville, Oregon donde el proceso anaerobio producía los mas altos niveles de compuestos azufrados y amonio reportados y el control de malos olores constituía un verdadero reto y en Franklin, Indiana donde el sistema de biofiltración se aplico después de que un tratamientos de scrubbing ácido y carbón activado habían sido utilizados sin éxito para resolver el problema de generación de malos olores. Existen diferentes técnicas de eliminación de malos olores las mas utilizadas son las que involucran la adsorción y/o la absorción de las sustancias que los ocasionan en carbón activado, o la transferencia de estos compuestos a fases acuosa (secuestramiento, striping), en ambos casos la contaminación solamente se transfiere de fase y posteriormente se tendrán nuevamente residuos secundarios. Una alternativa a los procesos convencionales es el uso de tecnologías que biológicas, tales como la biofiltración donde un consorcio microbiano será responsable de la oxidación del contaminante para obtener CO2 y agua. Métodos y materiales. Digestión anaerobia. Se utilizaron sistemas herméticos con 50 g de residuos triturados y fueron colocados en microcosmos, posteriormente se ajustaron a las condiciones mostradas en la Tabla 1. Los parámetros de seguimiento fueron materia orgánica (Norma mexicana para la determinación de Materia orgánica en residuos sólidos NMX-021-1985), sólidos volátiles (SV) (APHA, AWWA, WPCF., (1980) Métodos estandarizados para la examinación de aguas residuales, 15th, Ed. APHA, AWWA, Washington, D.C.), volumen de biogás por desplazamiento y composición del biogás por cromatografía de

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gases (APHA, AWWA, WPCF., (1980) Métodos estandarizados para la examinación de aguas residuales, 15th, Ed. APHA, AWWA, Washington, D.C.). Tabla 1. Condiciones evaluadas en la digestión anaerobia

Sistema sin inóculo Sistema inoculado

Controles C IC

Control de

pH P IP

Ajuste de

nitrógeno N IN

Control de

pH y Ajuste

de nitrógeno

PN IPN

Biofiltración. Inoculo. Como inoculo se utilizo un consorcio microbiano donado por la UAMI. Dicho consorcio microbiano fue previamente adaptado a los ácidos grasos volátiles y posteriormente alimentado al biofiltro con el objetivo de desarrollar la bio-película. Los microorganismos presentes en el consorcio fueron identificados mediante técnicas microbiológicas convencionales y conteo de colonias (cuenta estándar). Establecimiento del sistema de biofiltración. Se acondiciono una columna de vidrio de 8.25cm de diámetro por 78cm de largo, de 2.5 litros volumen de empaque. La cual fue empacada con 2 soportes diferentes con el fin de establecer la bio-película, adaptar a los microorganismos y estabilizar el funcionamiento del sistema. También se hicieron las conexiones necesarias para alimentar una corriente de aire saturada de agua y arrastre de ácido propiónico y ácido acético como fuente de carbono (1.5 L/min). Estableciendo un tiempo de retención EBRT de 2 minutos. Caracterización de soportes. Se evaluó la capacidad de retención de agua y la densidad de 3 soportes diferentes: anillos de vidrio, vermiculita y tezontle. Pruebas de consumo de AGVs. Se utilizaron botellas serológicas de 125mL con 4g de soporte y 5µL de cada uno de los ácidos (propiónico, butírico, acético y valérico). Se evaluó la degradación de los compuestos mediante la determinación de la producción de CO2 usando un cromatógrafo de gases GowMac con detector de conductividad térmica. En columna CTR1, usando helio como gas acarreador a un flujo de 65 ml/min.

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Resultados. Digestión anaerobia. Los parámetros que rigen la digestión anaerobia se conocen y han sido estudiados durante varios años, los mas importantes son: el pH, la temperatura, la adición de inóculos para favorecer la presencia de poblaciones metanogénicas y la relación de nutrientes C/N, sin embargo cada aplicación requerirá un estudio y control de los parámetros mas adecuados. En el caso especifico de los residuos hortícolas producidos en la Central de Abastos (700 ton/día) estos son ácidos (pH alrededor de 4), contienen bajos niveles de materia orgánica (constituidos hasta por 90% de agua) y ninguna fuente de nitrógeno, estas condiciones establecen un ambiente desfavorable para que se de un proceso de digestión anaerobia, por lo cual se deberán realizar estudios y experimentos que permitan el control del pH, la adición de inóculos que promuevan el establecimiento de poblaciones metanogénicas y la regulación de la relación de nutrientes mediante la adición de residuos de pescado o carnes. Todos estos parámetros fueron estudiados en cultivos en lote y en un reactor anaerobio de 20L de volumen. A lo largo de los últimos meses se han realizado experimentos en los cultivos en lote (microcosmos), así como pruebas preliminares en lo que se refiere a la operación de digestor. Experimentos previos mostraron que uno de los parámetros de control del proceso mas importantes para producir biogás a partir de estos residuos es el control de pH (≈7), obteniendo alrededor 180 L/KgVS en 28 días de proceso. Este volumen es bajo comparado con el reportado por otros autores (Gunaseelan VN, 2004; Bouallagui H. Y col., 2003; Dinsdale RM. y col 2000), quienes reportan alrededor de 190 a 400 L/KgVS por lo que se realizó un diseño experimental en el que se incluyó la adición de nitrógeno, el control de temperatura y pH para favorecer el proceso. En los sistemas P, IN y PN/IC se obtuvo la mayor producción de biogás, registrándose 350, 207.55 y 150.8 L/kgSV respectivamente (Figura 1).

Figura 1. Acumulación de biogás en cada sistema.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 10 20 30 40

Tiempo (Días)

C P N PN

IC IP IN IPN

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La materia orgánica transformada a los 38 días en los sistemas se presenta en la Tabla 2, se observa que la mayor degradación se presenta en los sistemas P, PN, N y IC. Los resultados obtenidos hasta el momento (38 días de proceso), muestran que los sistemas con control de pH y con control de pH y adición de nitrógeno son los que favorecen la conversión de materia orgánica a biogás. Ambos parámetros, control de pH y presencia de nitrógeno, se pueden obtener de manera natural llevando a cabo la co-digestión de los residuos vegetales con residuos cárnicos, ya que estos últimos al tener un alto contenido de proteína generan intermediarios nitrogenados de carácter alcalino (regulación de pH). Por otro lado, algunos autores (3) han reportado que residuos ricos en proteína generan mayores cantidades de biogás y metano. Las condiciones más favorables después de 3 meses de proceso serán evaluadas en un reactor anaerobio de 30 L de capacidad.

Tabla 2. pH, biogás y % de materia orgánica degradada de los sistemas a los 38 días.

Sistema pH Biogás (L/kgSV) % M.O degradada

C 5.78 55 43 P 6.42 350 79 N 6.19 100 77

PN 6.60 150 78 IC 5.36 150 76 IP 6,55 89 71 IN 6,68 207.55 70

IPN 6,18 107 71 Biofiltración. Caracterización de soporte. En la Tabla 3 se muestran las características de los soportes evaluados. Tabla 3. Características de los soportes evaluados SOPORTE

RETENCION DE AGUA (%)

DENSIDAD (g/cm3)

TEZONTLE 15 0.52

VERMICULITA 65 0.17

ANILLOS DE VIDRIO 2 0.58

Se puede observar que los soportes que mejor retienen el agua y por tanto son de potencial uso para el sistema de biofiltración son la vermiculita y el tezontle, ya que un requerimiento de estos sistemas es el mantenimiento de la humedad para sostener la actividad biológica. Sistema de biofiltración. En lo que se refiere al sistema de biofiltración se monto el reactor, se estableció el sistema de alimentación de la corriente de aire contaminada (Figura 2) y se realizaron experimentos conducidos al establecimiento de la bio-película en dos soportes (vermiculita y tezontle)

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Figura 2. Sistema de biofiltración. Datos de consumo. En la Tabla 4 se resumen las velocidades de degradación de los contaminantes, obtenidas a través de las cinéticas de consumo de ácidos grasos volátiles en bio-película establecida en vermiculita y tezontle. También se incluyen los porcentajes de degradación de los contaminantes Tabla 4. Velocidades y porcentajes de degradación de AGVs

Porcentajes dedegradación de AGV’s.

Velocidades de consumode AGV’s (mg/h)

Ácido Vermiculita

Tezontle

Vermiculita Tezontle

Acético 83.38 40.42 33..1133 1100..5522

Propiónico 64.31 47.21 33..8855 2222..9944

Butírico - 40.12 77..6655 2233..0088

Valérico 88.47 31.91 1100..3355 2222..7799

Los resultados mostraron que los todos los AGVs evaluados fueron degradados por el consorcio a diferentes velocidades, observando mayores porcentajes de degradación en la bio-película establecida en la vermiculita.

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Referencias. − Adler S.F. (2001) Use these guidelines to scale up and design biofiltration processes

for the control of volatile organic compounds. Environ. Protection, Abril 2001, aiche .org, 33-41.

− APHA, AWWA, WPCF., (1980) Métodos estandarizados para la examinación de aguas residuales, 15th, Ed. APHA, AWWA, Washington, D.C.

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− Bouallagui H., Cheikh RB., Marouani L., Hamdi M. Mesophilic biogas production from fruit and vegetable waste in a tubular digester. Bioresource Technology 2003; 86, 85-89.

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− Gao L., Keener T.C., Zhuang L. y Siddiqui K.F. (2001) A technical and economic comparison of biofiltration and wet chemical oxidation (scrubbing) for odor control at wastewater treatment plants. Environ. Eng. Policy, 2, 203-212.

− Gunaseelan VN. Biochemical methane potential of fruit and vegetable solid waste feedstocks. Biomass and Bioenergy 2004; 26, 389-399.

− Higgot G., Nutt S., Pride C. y Walsh G. (1996) “The Long Sault Wastewater Treatment Plant: A Leading Edge Facility”, Env. Sci. Eng.,

− Leson G. y Winer A.M. (1991) Biofiltration: an innovative air pollution control technology for VOC emissions. J. Air Waste Manag. Assoc., 41, 1045-1054.

− Morton A. Barlaz., (1997) Microbial Studies of Landfills Anaerobic Refuse decomposition, Environmental Microbiology Handbook.

− Norma mexicana para la determinación de Materia orgánica en residuos sólidos NMX-021-1985.

− Pride C. (2002) ATADs, Odors, and Biofilters. Florida Water Resour. J., 18-26 − Shareenfdeen Z., Herner B. Webb D. y Wilson S. (2003) Biofiltration eliminates

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− Staton K.L., Alleman J.E.,. Pressley R. L. y Eloff J. (2001) “2nd Generation Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion: Conceptual Issues and Process Advancements”, WEF/AWWA/CWEA Joint Residuals and Biosolids Management Conf., Feb. 2001.

− Wani A. H., Lau A. K. y Branion R.M.R. (1999) Biofiltration control of pulping odors-hydrogen sulfide: performance, macrokinetics and coexistence effects of organo-sulfur species. J. Chem. Technol. Biotechnol. 74, 9-16 .

Impacto. El presente estudio establece la posible aplicación de sistemas de tratamiento de residuos sólidos y de un sistema de biofiltración para eliminar contaminantes que

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generan malos olores. Por otro lado permitió la formación de recursos humanos de alto nivel.