Biofiltration of diffuse methane emissionstechnology development and integration for livestock waste treatment systems

Resumen

Las emisiones generadas por diferentes procesos industriales han sido estudiadas durante años debido a los problemas ambientales y de salud generados. Los episodios históricos de contaminación, los problemas transfronterizos, los impactos ambientales causados y los problemas de salud en poblaciones humanas asociados a las emisiones de carácter antropogénico han tenido como consecuencia el desarrollo de una preocupación a nivel social por la necesidad de tratar este tipo de emisiones. La concienciación acerca de la globalidad del problema ha hecho que la preocupación sobre la contaminación atmosférica haya aumentado desde principios del siglo XX hasta nuestros días. Como resultado, la legislación y las autoridades, tanto a nivel nacional como internacional, son cada vez más estrictas y hacen mayor hincapié en la disminución, el control y el tratamiento de las emisiones antropogénicas de efluentes gaseosos. Estas emisiones antropogénicas son muy variadas y abundantes. Desde plantas industriales que emiten continuamente grandes flujos con altas concentraciones de contaminantes (industrias papeleras, cementeras, centrales térmicas, industrias petroquímicas, etc.), hasta medianas o pequeñas instalaciones que generan emisiones con caudales variables y en muchos casos con concentraciones bajas, como es el caso de las explotaciones agrícolas y ganaderas, plantas de tratamiento de agua, vertederos, etc. En los últimos años, la comunidad científica ha encaminado sus estudios al control y tratamiento de dos grandes grupos de contaminantes: compuestos volátiles (orgánicos e inorgánicos) y los gases de efecto invernadero (GEI). La preocupación sobre los compuestos volátiles está más centrada en las emisiones derivadas de las actividades humanas y los procesos industriales y suelen estar asociados a malos olores, problemas de salud y un empeoramiento general de la calidad de vida. Si a esto le sumamos el aumento de densidad demográfica que ha hecho que las áreas residenciales cada vez se acerquen más a las industriales, la preocupación de las autoridades por controlar la emisión de compuestos volátiles es prioritaria. Por otra parte, el control sobre los GEI ha aumentado enormemente para tratar de minimizar el aumento de temperatura terrestre causado por la acción humana. De entre todos los GEI, el dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4) han sido sobre los que más se ha trabajado. En particular, el control y tratamiento de las emisiones de metano se ha estudiado en profundidad en los últimos 15 años, ya que por una parte tiene un valor económico como combustible (biogás) y por otra, por su alto potencial de calentamiento como GEI. Las tecnologías desarrolladas para el tratamiento de estos contaminantes gaseosos se pueden clasificar en dos grupos: físico-químicas y biológicas. Las características de las emisiones (flujo, tipo de contaminante, concentración, etc.) determinan en gran medida el tratamiento idóneo para cada emisión. Por ello, el objetivo principal de esta tesis ha sido el desarrollo de tecnologías biológicas especialmente orientadas para la eliminación de metano presente en bajas concentraciones, como es el caso de un gran número de emisiones antropogénicas. Este objetivo se ha abordado desde el punto de vista del uso de diferentes sistemas de tratamiento biológico y su comparación tanto a nivel operativo como ambiental. Además, y como aplicación industrial, se ha incorporado este conocimiento en el diseño de una planta integral para el tratamiento de las emisiones gaseosas derivadas del tratamiento de purines. Para ello, esta tesis se ha dividido en dos partes diferenciadas. En la primera parte se aborda la biofiltración de las emisiones difusas de metano (concentraciones de metano en aire menor a 1,5% vv-1). A pesar de la baja concentración de contaminante, las numerosas fuentes que emiten este tipo de concentraciones se encuentran dispersas por todo el mundo, creando un grave problema a escala global. Los experimentos en esta parte I se han centrado en la optimización de la biofiltración mediante el ajuste de diferentes parámetros que influyen notoriamente sobre el rendimiento del proceso, tales como la adición de la fase líquida, fuente de nitrógeno utilizada, concentración de nutrientes, los tiempos de contacto del gas con la biomasa y las cargas y concentraciones de metano aplicadas. Asimismo, se llevó a cabo una caracterización de la biomasa, tanto del inóculo empleado como de la biomasa desarrollada en el lecho, y se evaluaron las máximas capacidades de eliminación de la biomasa desarrollada en el biofiltro y las producciones de CO2 asociadas. En la segunda parte de la tesis se desarrolla la información relativa a las tareas realizadas dentro del proyecto europeo LIVEWASTE (programa LIFE+). En este proyecto se llevó a cabo el diseño, construcción y operación de una planta piloto para tratar purines en Chipre. El principal objetivo del proyecto fue obtener productos con un valor económico a partir del tratamiento de los desechos de animales de granja (purines). Así, se realizó el diseño de las unidades de tratamiento de gases de acuerdo con una estrategia que considera diferentes escenarios para el tratamiento de las corrientes gaseosas, con unos reactores que pudiesen trabajar en condiciones flexibles y adaptables a la operación de las líneas de tratamiento de aguas y sólidos. Se consideraron dos reactores biológicos para el tratamiento de gases: i) un biofiltro percolador diseñado para desulfurar la corriente de biogás generada durante la digestión anaerobia de los residuos; ii) un biofiltro híbrido para la eliminación de compuestos orgánicos volátiles, olores y metano. Este biofiltro híbrido incorpora una unidad de post-tratamiento de carbón activo que asegure la eliminación de los contaminantes independientemente del grado de madurez de la biomasa en el biofiltro. La implicación en el proyecto incluyó además del diseño, el seguimiento de la fase de construcción, la puesta en marcha de las unidades, un período de formación y un seguimiento y apoyo continuo a los operarios que trabajan en la planta piloto. De esta manera, en el capítulo 3 se estudia el arranque y operación de un biofiltro de relleno orgánico para el tratamiento de concentraciones difusas de metano en aire. Se llevan a cabo diferentes ensayos para la optimización de la eliminación de metano. Se trabajó primeramente en minimizar el efecto de los riegos que aportan solución nutritiva, centrándose en determinar los caudales y las frecuencias de riego que menos disminuían el rendimiento del biofiltro. Se estudian 5 caudales diferentes desde un rango de 0.45 a 1980 mL d 1 y frecuencias de riego de 1 a 6 al día, evaluando tanto la influencia del riego sobre el rendimiento del biorreactor como el tiempo de recuperación a niveles anteriores al riego. Paralelamente se realizan ensayos en discontinuo y en el propio biofiltro para determinar el tipo de fuente de nitrógeno más adecuado entre NH4+ y NO3- teniendo en cuenta el rendimiento obtenido. Los ensayos en discontinuo se realizaron en reactores de 500 mL. Se estudian los tiempos de consumos de NH4¬+ y NO3- observando la mayor rapidez de consumo del NH4¬+. Los experimentos en el biofiltro fueron realizados también con ambas fuentes de nitrógeno, manteniéndose ambas durante 16 días y evaluando el rendimiento en términos de eficacia de. Las diferencias encontradas, determinaron al NH4+ como la fuente más adecuada para obtener los mejores resultados en ambos términos. Sin embargo, tras un periodo de operación con NH4+ se detectaron problemas de acidificación en el lecho del biofiltro. Posteriormente, se optimizó el sistema en términos de concentración de metano y en tiempos de residencia del gas. Se estudió el rendimiento y la capacidad de eliminación del sistema alimentándolo con un rango de concentraciones de metano entre 0.12 – 1.3 % vv-1 y variando los tiempos de residencia entre 2 y 10 minutos. Los mejores resultados que se obtuvieron en este biofiltro fue una máxima eficacia de eliminación de 34 % y una eliminación de hasta 4.8 g CH4 m-3 h-1. En este capítulo también se dedicó un apartado especial a un estudio de la caída de presión, donde se determinó un valor constante de 8 mm water column mbed-1. Además, se utilizó la técnica FISH (fluorescence in situ hybridization) para caracterizar la ecología microbiana desarrollada en el biorreactor. Se determinó la presencia de metanótrofas tipo I y tipo II, aunque un problema de enmascaramiento debido a la descomposición del material del relleno, dificultó la obtención de buenas muestras para estudiar. Finalmente se abordó una discusión acerca de las limitaciones encontradas en el proceso de biofiltración de esta sustancia. El capítulo 4 continúa analizando la operación del biofiltro anterior, esta vez centrado en un posible indicador de estrés del proceso biológico de eliminación del metano, tal y como es la producción de sustancias exopoliméricas en el biofilm. Se llevó a cabo un estudio de la fracción de las proteínas y los polisacáridos presentes en la fase líquida recirculada para estudiar sus variaciones respecto a las diferentes condiciones que se aplicaban en el biofiltro. Su concentración es fundamental, ya no sólo como indicador de estrés, sino también por su papel en los fenómenos de trasferencia de materia entre el líquido y el biofilm. Se analizó la influencia de la concentración del nitrógeno sobre la formación de estas sustancias exopoliméricas. Para ello se utilizaron en el biofiltro soluciones nutritivas con diversas concentraciones entre 0 y 1 g N L-1 para determinar el rendimiento y la producción de proteínas y polisacáridos. Los resultados mostraron una influencia de la fuente de nitrógeno sobre la producción de sustancias exopoliméricas. Una ausencia total de nitrógeno incrementó la producción de proteínas, mientras que un exceso de nitrógeno incrementó los polisacáridos presentes. Finalmente, se evalúan los cambios de caída de presión y se relacionan con la presencia de las sustancias exopoliméricas producidas en las distintas fases. En este biofiltro la cantidad de metano alimentado es tan baja que no se espera que la producción de sustancias exopoliméricas sean causantes de grandes variaciones en la caída de presión. De hecho, durante esta operación el biofiltro mantuvo una caída de presión en torno a los 10 mmcolumna de agua m-1lecho. Paralelamente, se caracterizó la biomasa desarrollada a través de ensayos discontinuos en pequeños reactores de 500 mL para conocer el efecto de la temperatura y el pH sobre las bacterias metanótrofas. Se estudió las actividades de eliminación de la biomasa a temperaturas desde 4 a 41ºC y a pH entre 4 y 9, observándose un mayor consumo de metano a temperaturas entre 20 y 30 ºC y valores de pH en torno a 6. El capítulo 5 se centra en el estudio del tratamiento de las emisiones difusas de metano en un biofiltro relleno con material inorgánico. Como material de relleno se utilizaron cubos de espuma de poliuretano de poro abierto con alta capacidad de resistir degradación, gran superficie específica y muy alta porosidad. En este biofiltro se emplearon concentraciones de entrada entre 0.2 y 1 % vv-1, lo que supone una carga másica de 20 a 51 g CH4 m-3 h-1. Se estudia todo el proceso de arranque del biofiltro y de optimización de la fuente de nitrógeno con este nuevo material de relleno. Para ello se vuelve a utilizar NH4+ en un principio para lograr un rápido arranque de la unidad, pero la aparición de problemas de acidificación nuevamente deriva en el uso de nitrato para el resto de fases. En cuanto a las concentraciones empleadas, la cantidad con la cual se obtuvo el máximo rendimiento (23 %) fue 0.7 g N L-1. También se realizan una serie de ensayos sobre el biofiltro para conocer los rendimientos y capacidades de eliminación máxima de la biomasa desarrollada sobre este lecho inorgánico. Para ello, en estos ensayos se realizó una variación de los tiempos de residencia entre 2 y 8 minutos y unas variaciones de concentración entre 0.15 a 1.47 % vv-1. Se logran las máximas eficacias de eliminación a tiempos de residencia de 8 minutos y concentraciones de metano muy bajas (0.2 % vv-1) y las máximas capacidades de eliminación se logran a concentraciones de entradas de 1.2 % vv-1. Finalmente se mantienen unas condiciones estables durante dos meses con el propósito de comprobar la viabilidad de este material de relleno en una operación a largo plazo. Para ello se selecciona una concentración e entrada de 0.5 % vv-1 y un tiempo de residencia de 4 minutos. El sistema se mantiene trabajando en un rango de pH de 6 – 8 y una caída de presión estable de 13 mmcolumna de agua m-1lecho consiguiendo rendimientos promedios 26 %. Posteriormente se baja la concentración a 0.2 % vv-1 manteniéndose la estabilidad y logrando rendimientos promedios de 28%. Posteriormente se llevan a cabo estudios de la producción de CO2, corroborándose primero la eliminación de metano por vía biológica y, en segundo lugar, los bajos rendimientos de producción de la biomasa desarrollada en el biofiltro. Paralelamente, se identificaron los microrganismos desarrollados en el biorreactor a través de herramientas de biología molecular como Illumina MiSeq y FISH. Con Illumina MiSeq se determinó las poblaciones presentes en el inóculo empleado en este biofiltro. Se identificaron especies consideradas como metanótrofas en un porcentaje muy pequeño. El análisis de FISH identificó las poblaciones de metanótrofas presentes en el biofiltro tras dos meses de operación. Tras la operación con ambos biorreactores, uno con relleno orgánico y otro relleno inorgánico, se realiza un estudio comparativo de ambos procesos en el capítulo 6, teniendo en cuenta tanto cuestiones tecnológicas de operación como indicadores ambientales a través de la herramienta de Análisis de Ciclo de Vida. En general, los análisis de los principales resultados obtenidos en ambos biofiltros indican que ambas configuraciones son una alternativa interesante de cara a tratar emisiones difusas de metano. Sin embargo, el biofiltro con material de relleno orgánico logró unos rendimientos de eliminación un 20 % superiores que los logrados con el biofiltro relleno con material inorgánico. También es destacable que el relleno orgánico requirió una concentración de nitrógeno de 0.2 g N L-1 frente a los 0.7 g N L-1 que necesitaba el material inorgánico. Además, la biomasa desarrollada sobre el lecho orgánico mantuvo una mayor estabilidad a lo largo de toda la operación llevada a cabo, lo que implicó una mayor capacidad de eliminación por parte de esta biomasa del relleno orgánico. En lo relativo a la evaluación ambiental, los principales impactos causados por el biofiltro son el requerimiento de nutrientes, la producción de la infraestructura, el tratamiento de los desechos generados y las emisiones directas a la atmósfera. Puesto que el biofiltro con material inorgánico requiere más nutrientes y logra menores eficacias de eliminación, la operación con el biofiltro de relleno orgánico resultó más adecuado para el medio ambiente que el uso del material inorgánico. Es decir, los resultados de la comparación ambiental corroboran los obtenidos en la comparativa de la operación. En el capítulo 7, ya perteneciente a la parte II de la tesis, desarrolla todos los pasos encaminados a la integración del tratamiento biológico de efluentes gaseosos con bajas concentraciones de metano en una planta piloto para el tratamiento integral de purines. Esta planta piloto consiste en una serie de unidades para el tratamiento tanto de las corrientes líquidas, como sólidas y gaseosas: digestor anaerobio, separación sólido-líquido del digestato generado, compostaje de la fracción sólida y tratamiento del líquido en un reactor biológico secuencial y/o en un reactor físico-químico de precipitación de estruvita y tratamiento de las corrientes gaseosas generadas. Se pretende obtener estruvita como producto final valorizable a la vez que un efluente líquido libre de nutrientes y apto para su descarga al medio. Una vez definido todo el marco conceptual del proceso, se abordan todos los pasos para el diseño de las distintas unidades de tratamiento de emisiones gaseosas. El diseño de ambas unidades y la configuración de los escenarios fue llevado a cabo para poder optimizar la operación de la planta en cualquier condición en la que se encuentre el proceso. Se diseñaron dos unidades diferentes para el tratamiento de corrientes gaseosas. Por una parte, un biofiltro percolador, que fue diseñado para eliminar el H2S de la corriente de biogás en condiciones anóxicas. La selección de trabajar en este ambiente en ausencia de oxígeno se realizó para lograr un proceso más seguro y de menor alteración del biogás. Además, esta unidad fue diseñada con una alta flexibilidad para poder tratar los diferentes caudales de biogás que se producirán. El material de relleno que se usa de carácter inorgánico, siendo espumas de poliuretano en la parte superior y anillos de polipropileno en la parte de abajo. Esta diferencia es debida a que en la parte de abajo se espera que se acumule azufre elemental, siendo necesario un material de relleno más duro y difícil de obstruir. El uso de espumas de poliuretano en la parte superior garantiza una mayor resistencia a la corrosión del H2S, una mayor superficie específica para el desarrollo de biomasa y una alta porosidad. Por otra parte, un biofiltro híbrido fue diseñado para el tratamiento de compuestos orgánicos volátiles, olores y metano del gas liberado por diferentes unidades de la planta piloto durante su operación. El biofiltro híbrido consta de un biofiltro de 4 módulos relleno de material orgánico con un sistema de post-tratamiento del gas que consiste en un carbón activo pelletizado. El sistema es flexible y garantiza un tratamiento de los contaminantes independientemente del estado de madurez de la biomasa en el biofiltro. Además de estas dos unidades, una alternativa mucho más integrada fue planteada para llevarse a cabo. Se trata de la difusión de lodos activos aplicado al tratamiento de los gases formados en las diferentes unidades de la planta piloto. Una vez realizados los diseños, se llevaron a cabo una serie de tareas en el proyecto para garantizar su puesta en marcha y correcto funcionamiento. Así pues, se realizó primeramente una labor de asesoramiento a la empresa constructora para los detalles de ambas unidades, construcción y ensamblaje final con el resto de las unidades de la planta piloto. Finalmente, ser realizó el arranque de ambas unidades, la formación a los operarios y la realización de la monitorización de las diversas unidades de que consta la planta piloto de tratamiento integral de purines. En resumen, la presente tesis doctoral presenta un estudio detallado del tratamiento de emisiones difusas de metano en un biofiltro orgánico e inorgánico considerando parámetros tecnológicos y ambientales, para su aplicación final en el diseño de las unidades de tratamiento de gases emitidos por una planta piloto industrial para el tratamiento biológico integral de purines.