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Biofiltro

Montículo de biofiltro de la planta de compostaje de biosólidos : observe el aspersor visible en la parte frontal derecha para mantener el nivel de humedad adecuado para un func...

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Montículo de biofiltro de la planta de compostaje de biosólidos : observe el aspersor visible en la parte frontal derecha para mantener el nivel de humedad adecuado para un funcionamiento óptimo.

La biofiltración es una técnica de control de la contaminación que utiliza un biorreactor con materia viva para capturar y degradar biológicamente los contaminantes. Entre sus usos comunes se incluyen el tratamiento de aguas residuales , la captura de sustancias químicas nocivas o sedimentos de la escorrentía superficial y la oxidación microbiótica de contaminantes en el aire. La biofiltración industrial se puede clasificar como el proceso de oxidación biológica para eliminar compuestos orgánicos volátiles, olores e hidrocarburos.

Ejemplos de biofiltración

Algunos ejemplos de biofiltración son:

Control de la contaminación atmosférica

Cuando se aplican a la filtración y purificación del aire, los biofiltros utilizan microorganismos para eliminar la contaminación atmosférica . [ 1 ] El aire fluye a través de un lecho empacado y el contaminante se transfiere a una fina biopelícula en la superficie del material de relleno. Los microorganismos , incluyendo bacterias y hongos, se inmovilizan en la biopelícula y degradan el contaminante. Los filtros percoladores y los biodepuradores se basan en una biopelícula y la acción bacteriana en sus aguas recirculantes.

Esta tecnología encuentra su mayor aplicación en el tratamiento de compuestos malolientes y compuestos orgánicos volátiles (COV). Las industrias que la emplean incluyen la alimentaria y de productos animales, el tratamiento de gases residuales de plantas de tratamiento, la farmacéutica , la fabricación de productos de madera, la aplicación y fabricación de pinturas y recubrimientos, y la fabricación y aplicación de resinas, entre otras. Los compuestos tratados suelen ser COV mixtos y diversos compuestos de azufre , incluido el sulfuro de hidrógeno . Se pueden tratar flujos de aire muy grandes y, aunque normalmente se ha requerido una gran superficie (huella) —un biofiltro grande (>200 000 acfm ) puede ocupar tanta o más superficie que un campo de fútbol—, este ha sido uno de los principales inconvenientes de la tecnología. Desde principios de la década de 1990, los biofiltros de ingeniería han proporcionado reducciones significativas de la huella en comparación con el tipo convencional de lecho plano con medios orgánicos.

Sistema de ciclo de aire en la planta de compostaje de biosólidos. El gran conducto en primer plano es el conducto de escape de aire hacia el biofiltro que se muestra en la foto anterior.

Uno de los principales desafíos para el funcionamiento óptimo de un biofiltro es mantener la humedad adecuada en todo el sistema. Normalmente, el aire se humidifica antes de entrar en el lecho mediante un sistema de riego (pulverización), una cámara de humidificación, un depurador biológico o un biofiltro percolador. Con un mantenimiento adecuado, un material de relleno natural y orgánico como turba, mantillo vegetal, corteza o astillas de madera puede durar varios años, pero los materiales de relleno diseñados, que combinan componentes orgánicos naturales y sintéticos, suelen durar mucho más, hasta 10 años. Varias empresas ofrecen este tipo de materiales de relleno patentados y garantías multianuales, que no suelen incluirse en los biofiltros convencionales de compost o de astillas de madera.

Aunque ampliamente empleados, la comunidad científica aún no está segura de los fenómenos físicos que sustentan el funcionamiento de los biofiltros, y la información sobre los microorganismos involucrados continúa desarrollándose. [ 2 ] Un sistema de biofiltro/biooxidación es un dispositivo bastante simple de construir y operar y ofrece una solución rentable siempre que el contaminante sea biodegradable dentro de un marco de tiempo moderado (mayor tiempo de residencia = mayor tamaño y costos de capital), en concentraciones razonables (y tasas de carga lb/h) y que la corriente de aire esté a una temperatura viable para los organismos. Para grandes volúmenes de aire, un biofiltro puede ser la única solución rentable. No hay contaminación secundaria (a diferencia del caso de la incineración donde se producen CO 2 y NO x adicionales por la quema de combustibles) y los productos de degradación forman biomasa adicional, dióxido de carbono y agua. El agua de riego del medio, aunque muchos sistemas reciclan parte de ella para reducir los costos operativos, tiene una demanda bioquímica de oxígeno (DBO) moderadamente alta y puede requerir tratamiento antes de su eliminación. Sin embargo, esta "agua de purga", necesaria para el correcto mantenimiento de cualquier sistema de biooxidación, suele ser aceptada por las plantas de tratamiento municipales de propiedad pública sin ningún tratamiento previo.

En Columbia Falls, Montana, se están utilizando biofiltros en la planta de tableros de fibra de Plum Creek Timber Company . [ 3 ] Los biofiltros reducen la contaminación generada por el proceso de fabricación y los gases de escape emitidos son un 98 % limpios. La incorporación del biofiltro más nuevo y grande a Plum Creek costó 9,5 millones de dólares; sin embargo, a pesar de que esta nueva tecnología es costosa, a largo plazo resultará más económica que los incineradores alternativos de limpieza de gases de escape alimentados con gas natural (que no son tan respetuosos con el medio ambiente).

Tratamiento del agua

Un sistema típico completo de filtro percolador para el tratamiento de aguas residuales. [ 4 ]
Imagen 1: Sección transversal esquemática de la superficie de contacto del lecho filtrante en un filtro percolador.

La biofiltración se introdujo por primera vez en Inglaterra en 1893 como un filtro percolador para el tratamiento de aguas residuales y desde entonces se ha utilizado con éxito para el tratamiento de diferentes tipos de agua. [ 5 ] El tratamiento biológico se ha utilizado en Europa para filtrar agua superficial para consumo humano desde principios del siglo XX y ahora está recibiendo mayor interés a nivel mundial. La biofiltración también es común en el tratamiento de aguas residuales , la acuicultura y el reciclaje de aguas grises , como una forma de minimizar el reemplazo de agua y, al mismo tiempo, aumentar su calidad .

Proceso de biofiltración

Un biofiltro es un lecho de material filtrante sobre el cual los microorganismos se adhieren y crecen para formar una capa biológica llamada biopelícula . Por lo tanto, la biofiltración se suele denominar proceso de película fija. Generalmente, la biopelícula está formada por una comunidad de diferentes microorganismos ( bacterias , hongos , levaduras , etc.), macroorganismos ( protozoos , gusanos, larvas de insectos, etc.) y sustancias poliméricas extracelulares (EPS) (Flemming y Wingender, 2010). El aire o el agua fluye a través de un lecho de material filtrante y cualquier compuesto en suspensión se transfiere a una biopelícula superficial donde los microorganismos se mantienen para degradar los contaminantes . El aspecto de la biopelícula [ 6 ] suele ser viscoso y fangoso.

El agua a tratar puede aplicarse de forma intermitente o continua sobre el medio filtrante, mediante flujo ascendente o descendente. Normalmente, un biofiltro tiene dos o tres fases, según la estrategia de alimentación (biofiltro percolante o sumergido):

  • una fase sólida (medio)
  • una fase líquida (agua);
  • una fase gaseosa (aire).

La materia orgánica y otros componentes del agua se difunden en la biopelícula donde se produce el tratamiento, principalmente por biodegradación . Los procesos de biofiltración suelen ser aeróbicos , lo que significa que los microorganismos requieren oxígeno para su metabolismo. El oxígeno puede suministrarse a la biopelícula, ya sea simultáneamente o en contracorriente con el flujo de agua. La aireación se produce de forma pasiva mediante el flujo natural de aire a través del proceso (biofiltro trifásico) o mediante aire forzado suministrado por sopladores.

La actividad de los microorganismos es un factor clave en el rendimiento del proceso. Los principales factores que influyen son la composición del agua, la carga hidráulica del biofiltro, el tipo de medio filtrante, la estrategia de alimentación (percolación o medio sumergido), la edad del biofilm, la temperatura, la aireación, etc.

Los mecanismos por los cuales ciertos microorganismos pueden adherirse y colonizar la superficie del medio filtrante de un biofiltro pueden ser mediante transporte, adhesión inicial, fijación firme y colonización [Van Loosdrecht et al., 1990]. El transporte de microorganismos a la superficie del medio filtrante está controlado además por cuatro procesos principales: difusión (movimiento browniano), convección, sedimentación y movilidad activa de los microorganismos. El proceso de filtración general consiste en la adhesión de los microorganismos, la utilización del sustrato que provoca el crecimiento de la biomasa y el desprendimiento de la misma. [ 5 ]

Tipos de medios filtrantes

La mayoría de los biofiltros utilizan medios como arena, roca triturada, grava de río o algún tipo de material plástico o cerámico con forma de pequeñas perlas y anillos. [ 7 ]

Ventajas

Aunque los filtros biológicos tienen estructuras superficiales simples, su hidrodinámica interna y la biología y ecología de los microorganismos son complejas y variables. [ 8 ] Estas características confieren robustez al proceso. En otras palabras, el proceso tiene la capacidad de mantener su rendimiento o volver rápidamente a los niveles iniciales tras un período sin flujo, de uso intensivo, choques tóxicos, retrolavado del medio filtrante (procesos de biofiltración de alta tasa), etc.

La estructura del biofilm protege a los microorganismos de condiciones ambientales adversas y retiene la biomasa dentro del proceso, incluso cuando las condiciones no son óptimas para su crecimiento. Los procesos de biofiltración ofrecen las siguientes ventajas: (Rittmann et al., 1988):

  • Dado que los microorganismos quedan retenidos dentro de la biopelícula, la biofiltración permite el desarrollo de microorganismos con tasas de crecimiento específicas relativamente bajas;
  • Los biofiltros están menos sujetos a cargas variables o intermitentes y a choques hidráulicos ; [ 9 ]
  • Los costes operativos suelen ser inferiores a los de los lodos activados ;
  • El resultado final del tratamiento se ve menos influenciado por la separación de la biomasa, ya que la concentración de biomasa en el efluente es mucho menor que en los procesos de biomasa en suspensión;
  • La biomasa adherida se vuelve más especializada (mayor concentración de organismos relevantes) en un punto dado del proceso porque no hay retorno de biomasa . [ 10 ]

Desventajas

Debido a que la filtración y el crecimiento de biomasa provocan la acumulación de materia en el medio filtrante, este tipo de proceso de película fija es susceptible a la bioobstrucción y la canalización del flujo. Según el tipo de aplicación y el medio utilizado para el crecimiento microbiano, la bioobstrucción puede controlarse mediante métodos físicos y/o químicos. Se pueden implementar pasos de retrolavado con aire y/o agua para desintegrar la biopelícula y recuperar el flujo siempre que sea posible. También se pueden utilizar agentes químicos como oxidantes ( peróxido , ozono ) o biocidas.

La biofiltración puede requerir una gran superficie para algunas técnicas de tratamiento (procesos de crecimiento en suspensión y crecimiento adherido), así como largos tiempos de retención hidráulica (laguna anaeróbica y reactor anaeróbico deflector). [ 11 ]

Agua potable

Para el agua potable, el tratamiento biológico implica el uso de microorganismos presentes de forma natural en las aguas superficiales para mejorar su calidad. En condiciones óptimas, que incluyen una turbidez relativamente baja y un alto contenido de oxígeno, estos organismos descomponen la materia orgánica en el agua, mejorando así su calidad. Se utilizan filtros de arena lenta o filtros de carbón como soporte para el crecimiento de estos microorganismos. Estos sistemas de tratamiento biológico reducen eficazmente las enfermedades transmitidas por el agua, el carbono orgánico disuelto, la turbidez y el color en las aguas superficiales, mejorando así la calidad general del agua.

En el tratamiento de agua potable, se suelen utilizar filtros de carbón activado granular o de arena para prevenir el crecimiento de microorganismos en las tuberías de distribución, reduciendo los niveles de hierro y nitrato que actúan como nutrientes microbianos. El carbón activado granular también reduce la demanda de cloro y la acumulación de otros subproductos de la desinfección, actuando como primera línea de desinfección. Las bacterias adheridas al medio filtrante, formando una biopelícula, oxidan la materia orgánica como fuente de energía y carbono, lo que impide que bacterias no deseadas utilicen estas fuentes y reduce los olores y sabores del agua [Bouwer, 1998]. Estos sistemas de tratamiento biológico reducen eficazmente las enfermedades transmitidas por el agua, el carbono orgánico disuelto, la turbidez y el color en las aguas superficiales, mejorando así la calidad general del agua.

Se pueden utilizar técnicas biotecnológicas para mejorar la biofiltración del agua potable mediante el estudio de las comunidades microbianas presentes en ella. Dichas técnicas incluyen la qPCR (reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa), el ensayo de ATP, la metagenómica y la citometría de flujo. [ 12 ]

aguas residuales

La biofiltración se utiliza para tratar aguas residuales de diversas fuentes, con composiciones y concentraciones orgánicas variables. En la literatura se describen numerosos ejemplos de aplicaciones de biofiltración. Se han desarrollado y comercializado biofiltros a medida para el tratamiento de desechos animales , [ 13 ] lixiviados de vertederos , [ 14 ] aguas residuales de la industria láctea [ 15 ] y aguas residuales domésticas . [ 16 ]

Este proceso es versátil ya que puede adaptarse a caudales pequeños (< 1 m3/d), como aguas residuales in situ [ 17 ] así como a caudales generados por un municipio (> 240 000 m3/d). [ 18 ] Para la producción descentralizada de aguas residuales domésticas, como para viviendas aisladas, se ha demostrado que existen importantes fluctuaciones diarias, semanales y anuales de las tasas de producción hidráulica y orgánica relacionadas con el estilo de vida de las familias modernas. [ 19 ] En este contexto, un biofiltro ubicado después de una fosa séptica constituye un proceso robusto capaz de soportar la variabilidad observada sin comprometer el rendimiento del tratamiento.

En las instalaciones de tratamiento anaeróbico de aguas residuales, el biogás se introduce a través de un biodepurador y se "depura" con lodo activado líquido procedente de un tanque de aireación. [ 20 ] El proceso más común en el tratamiento de aguas residuales es el filtro percolador (PF) [Chaudhary, 2003]. Los filtros percoladores son un tratamiento aeróbico que utiliza microorganismos en un medio adherido para eliminar la materia orgánica de las aguas residuales.

En el tratamiento primario de aguas residuales, la biofiltración se utiliza para controlar los niveles de demanda bioquímica de oxígeno, demanda química de oxígeno y sólidos en suspensión. En los procesos de tratamiento terciario, la biofiltración se utiliza para controlar los niveles de carbono orgánico [Carlson, 1998].

Uso en acuicultura

El uso de biofiltros es común en sistemas de acuicultura cerrados , como los sistemas de recirculación de agua (RAS). Las técnicas de biofiltración utilizadas en acuicultura se pueden dividir en tres categorías: biológicas, físicas y químicas. El método biológico principal es la nitrificación; los métodos físicos incluyen técnicas mecánicas y sedimentación, y los métodos químicos se suelen utilizar junto con alguno de los otros métodos. [ 21 ] Algunas granjas utilizan algas marinas, como las del género Ulva, para eliminar el exceso de nutrientes del agua y liberar oxígeno en el ecosistema en un “sistema de recirculación”, sirviendo además como fuente de ingresos al vender las algas para el consumo humano seguro. [ 22 ]

Se utilizan muchos diseños, con diferentes ventajas y desventajas, pero la función es la misma: reducir los intercambios de agua mediante la conversión de amoníaco en nitrato . El amoníaco (NH₄⁺ y NH₃ ) se origina a partir de la excreción braquial de las branquias de los animales acuáticos y de la descomposición de la materia orgánica. Como el amoníaco-N es altamente tóxico, se convierte en una forma menos tóxica de nitrito (por Nitrosomonas sp.) y luego en una forma aún menos tóxica de nitrato (por Nitrobacter sp.). Este proceso de "nitrificación" requiere oxígeno (condiciones aeróbicas), sin el cual el biofiltro puede colapsar. Además, como este ciclo de nitrificación produce H⁺ , el pH puede disminuir, lo que requiere el uso de tampones como la cal .

Véase también

Referencias

  1. ↑ Joseph S. Devinny; Marc A. Deshusses y Todd S. Webster (1999). Biofiltración para el control de la contaminación del aire . Lewis Publishers. ISBN 978-1-56670-289-8.
  2. ↑ Cruz-García, Blanca; Geronimo-Meza, Andrea Selene; Martínez-Lievana, Concepción; Arriaga, Sonia ; Huante-González, Yolanda; Aizpuru, Aitor (2019). "Biofiltración de altas concentraciones de vapores de metanol: rendimiento de eliminación, balance de carbono y poblaciones microbianas y de moscas" . Journal of Chemical Technology & Biotechnology . 94 (6): 1925– 1936. Bibcode : 2019JCTB...94.1925C . doi : 10.1002/jctb.5974 . ISSN 0268-2575 . S2CID 104375950 .  
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Lecturas adicionales

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