Biofiltros percoladores: Una tecnología emergente para el tratamiento de olores y desulfuración de biogás

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Biofiltros percoladores.
Una tecnología emergente para el
tratamiento de olores y desulfuración
de biogás
Noviembre - Diciembre 2011
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INTRODUCCIÓN
Una tecnología emergente de
bajo coste aplicada al tratamiento
de compuestos orgánicos e inorgá-
nicos volátiles presente en corrien-
tes gaseosas es la biofiltración me-
diante biofiltros percoladores
(Biotrickling filters).
Un biofiltro percolador
es un biorreactor empaca-
do con un soporte sintético
en el cual se desarrolla
una biopelícula. A través
del lecho se alimenta la co-
rriente gaseosa con el con-
taminante a eliminar y, por
su parte superior, se aña-
de una corriente líquida,
que es recirculada para
aportar los nutrientes
esenciales a la biopelícula,
mantener las condiciones
de humedad, pH, además
de eliminar los productos
de degradación. A medida
que el gas atraviesa el le-
cho poroso, los contami-
nantes son degradados
por la biomasa activa que
los utiliza como fuente de
nutrientes y/o energía. Los
materiales usados común-
mente como soportes son
polímeros, espuma de poliuretano,
cerámicas, zeolita, carbón activo o
mezcla de varios materiales. Se uti-
liza en compuestos con constantes
de Henry menores de 1 y concen-
traciones menores de 0,5 g m-3 (Ra-
mírez, 2007).
Los biofiltros percoladores son
considerados como tecnologías
limpias o verdes y presentan nu-
merosas ventajas entre las que
destacan (Cabrera et al., 2011;
Kennes & Thalasso, 1998): su ca-
pacidad para degradar los conta-
minantes a otros productos ino-
cuos o menos contaminantes a
una temperatura y presión ambien-
tales; costes de inversión modera-
dos; los costes de opera-
ción son relativamente
bajos (teniendo en cuenta
el elevado volumen de ga-
ses que se pueden tratar
con bajas concentraciones
de los compuestos conta-
minantes); se obtienen al-
tos rendimientos de degra-
dación en el tratamiento
de un elevado número de
compuestos contaminan-
tes atmosféricos, pudién-
dose tratar de forma efecti-
va mezclas de
compuestos orgánicos e
inorgánicos; buen control
de la temperatura, pH y
concentración de nutrien-
tes; fácil retirada de los
productos derivados de la
degradación mediante
purgas del medio de recir-
culación en el sistema.
En los últimos años se
Desodorización
Ramírez, M., Fernández, M., Almengló, F., Gómez, J.M. y Cantero, D.
Dpto. Ingeniería Química y Tecnología de Alimentos. Facultad de Ciencias.
UNIVERSIDAD DE CÁDIZ

ha llevado a cabo un gran avance
en la investigación y aplicación de
los biofiltros percoladores en el tra-
tamiento de efluentes gaseosos. El
grupo de investigación “Reactores
Biológicos y Enzimáticos (TEP-
105)” de la Universidad de Cádiz
viene desarrollando, desde 1993,
la línea de investigación “Biodesul-
furación y Biofiltración de efluentes
gaseosos”, cuyo principal objetivo
es proponer alternativas tecnológi-
cas viables para la minimización de
estos residuos dentro del campo
de la Biotecnología Ambiental.
TRATAMIENTO DE OLORES
La generación de olores está
considerada como una forma es-
pecifica de contaminación atmos-
férica, entendiéndose por tal la
presencia en el aire de sustancias
y formas de energía que alteran la
calidad del mismo, de modo que
implique riesgos, daños o moles-
tias graves para las personas y
bienes de cualquier naturaleza.
Los olores representan uno de
los problemas más complejos rela-
cionados con la contaminación del
aire dado que la percepción del
olor depende del individuo. La na-
riz del hombre es capar de detectar
cantidades minúsculas de algunas
sustancias, incluso en el intervalo
de ppm y ppb (Ottengraf, 1986).
Los principales compuestos res-
ponsables de los malos olores son
los compuestos reducidos de azu-
fre, tales como: sulfuro de hidróge-
no (H2S), el metilmercaptano
(MM), dimetil sulfuro (DMS) y di-
metil disulfuro (DMDS). El H2S es
el más común, posee un olor ca-
racterístico a huevos podridos y un
límite de detección excesivamente
bajo entre 0,0085 y 1 ppmv (Lo-
mans et al., 2002). Otro compues-
to causante de olores es el amo-
niaco (NH3), el cual se encuentra
fundamentalmente en instalacio-
nes ganaderas. Las exposiciones a
amoniaco causan principalmente
irritación en las mucosas, obte-
niendo como resultado una sensa-
ción de quemazón en los ojos, na-
riz y garganta; esta sensación se
puede producir a concentraciones
muy bajas, desde 50 hasta 100
ppmv. Andalucía ha sido la primera
Comunidad Autónoma en aprobar
una legislación para tratar la conta-
minación del aire (Decreto
239/2011, de 12 de Julio, por el
que se regula la calidad del medio
ambiente atmosférico y se crea el
Registro de Sistemas de Evalua-
ción de la calidad del Aire en Anda-
lucía), entre la que se incluye como
novedad, la contaminación por olo-
res. En este sentido, a partir de
ahora, todas aquellas industrias o
empresas que generen contamina-
ción por olores están obligadas a
cumplir los límites que establece
este reglamento.
Resultados a nivel de laboratorio
En los estudios a nivel de labora-
torio se han empleado biofiltros
percoladores desde 1 L hasta un
máximo de 4,3 L, con espuma de
poliuretano como soporte. Para la
eliminación de H2S se han utilizado
biofiltros a pH neutro y ácido. En el
sistema a pH neutro se empleó co-
mo inóculo Thiobacillus thioparus
(Ramírez et al., 2009c), logrando
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Figura 1. Biofiltro percolador anóxico empleado a escala de laboratorio

eliminar el 99,3% para concentra-
ciones de entrada de 56 ppmv a 90
s de tiempo de residencia. En el
sistema a pH ácido se empleó co-
mo inóculo Acidithiobacillus thiooxi-
dans (Ramírez et al., 2009e), en
este caso se logró disminuir el tiem-
po de residencia hasta 12-15 s para
concentraciones de entrada de
hasta 66 ppmv con porcentajes de
eliminación mayores del 98-99% a
un pH de 2,0. Igualmente se ha es-
tudiado la eliminación DMS (Arella-
no-Garcia et al., 2009) por Thioba-
cillus thioparus con una eliminación
del 100% hasta cargas de 4 g DMS
m-3h-1, y el efecto de la presencia de
MM, DMS y DMDS (Ramírez et al.,
2011b) mediante un sistema de bio-
filtración en doble etapa con Acidi
thiobacillus thiooxidans en un primer
biofiltro y Thiobacillus thioparus en
el segundo, obteniendo porcentajes
de eliminación del 97-84%, 86-76%
y 85-67% para DMS, DMDS y MM
respectivamente sin disminuir la efi-
cacia de eliminación de H2S.
Los resultados obtenidos han
permitido patentar un protocolo de
inoculación de biofiltros percolado-
res industriales para la eliminación
de compuestos reducidos de azu-
fre en aire (Ramírez et al., 2009d).
La eliminación de amoniaco
también ha sido estudiada logran-
do eliminar hasta 1.434 ppmv a un
tiempo de residencia de 11 s con
Nitrosomonas europaea como inó-
culo (Ramírez et al., 2009a). Dado
que el NH3a veces se encuentra
presente con H2S se llevó a cabo
un estudio de eliminación conjunto
con Thiobacillus thioparus y Nitro-
somonas europea puesto que am-
bos microorganismos son neutrófi-
los (Ramírez et al., 2009b),
logrando un 100% de eliminación
para concentraciones de 230 y
129 ppmv de NH3y H2S respecti-
vamente a 60 s.
Resultados a nivel industrial
Un biofiltro percolador con un vo-
lumen de relleno de 4,5 m3(15.000
cubos de espuma de poliuretano de
poro abierto; tamaño 50x50x50
mm) y un diámetro de la torre de
1,65 m ha sido instalado para tratar
un caudal de aire 1.100 m3h-1. El ai-
re procede de un sala de tamiz de
fangos (900 m3h-1) y de dos espesa-
dores de fangos (200 m3h-1). El bio-
filtro fue inoculado siguiendo el pro-
cedimiento patentado por el grupo
(Ramírez et al., 2009d). El tiempo
de residencia del gas es de 14,7 s y
los porcentajes de eliminación se si-
túan entre el 98-100%.
Este biofiltro ha sido diseñado por
el grupo de investigación, siendo el
montaje y operación por cuenta de
la empresa de base tecnológica Ko-
nectia, S.L. con la cual el grupo
mantiene una estrecha relación.
TRATAMIENTO DE BIOGÁS
Otro campo de aplicación de los
biofiltros percoladores es la biode-
sulfuración de biogás, aunque en
este caso los estudios existentes
son muy escasos. El biogás es una
fuente de energía renovables que
puede disminuir la dependencia de
los combustibles derivados del pe-
tróleo. Durante los últimos 20 años
se han construido más de 5.000
biodigestores a nivel industrial en
los países europeos, lo que ha ori-
ginado un incremento notable en
los niveles de producción de bio-
gás. En el año 2009, se alcanzaron
niveles de producción de 8,3 millo-
nes de toneladas equivalentes de
petróleo (EurObservʼER, 2010).
La composición del biogás pue-
de variar en función de la fuente de
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procedencia; en general, sus cons-
tituyentes principales son el meta-
no (45–75%) y el dióxido de carbo-
no (25–50%); pero contiene trazas
de otros compuestos, tales como
H2S, en concentraciones entre 100
y 20.000 ppmv (Ramírez et al.,
2011a), siendo considerado este
compuesto como el principal con-
taminante del biogás debido a su
elevada toxicidad, efecto corrosivo
sobre equipos electromecánicos y
tuberías, la formación de óxidos de
azufre durante la combustión del
biogás, y, además, es el principal
causante de los malos olores en
los biodigestores (aunque pueden
existir otros compuestos de azufre
como los mercaptanos).
La eliminación biológica del H2S
contenido en el biogás ha sido es-
tudiada principalmente bajo condi-
ciones aerobias (Chaiprapat et al.,
2011; Fortuny et al., 2008; Fortuny
et al., 2007; Fortuny et al., 2011;
Maestre et al., 2010; Nishimura &
Yoda, 1997; Ramírez-Sáenz et al.,
2009; Tomás et al., 2009), mientras
que en condiciones anóxicas exis-
ten muy pocos estudios (Baspinar
et al., 2011; Soreanu et al., 2008a;
2008b; 2009).
Estos procesos anóxicos utilizan
bacterias autótrofas desnitrificantes
capaces de crecer en ausencia de
oxígeno, empleando sulfuro como
aceptor final de electrones y el ni-
trato como donante de electrones;
y presentan como principales ven-
tajas que no requieren aireación, el
consumo de productos químicos es
bajo si se emplean aguas residua-
les como fuente de nitrato, no hay
reducción en la concentración de
metano y poseen una excelente du-
rabilidad y fiabilidad si se comparan
con otros procesos.
RESULTADOS A NIVEL DE
LABORATORIO
Para estudiar la biofiltración anó-
xica de H2S en biogás se empleó un
biofiltro percolador con un volumen
útil de 2,4 L (Fig. 1) y como inóculo
se utilizó el agua residual procedente
de un biorreactor instalado en la
planta de tratamiento de aguas resi-
duales “Guadalete” localizada en Je-
rez de la Frontera (Cádiz), España.
Como soporte para la inmovilización
de las bacterias nitrato-reductoras,
sulfuro-oxidantes (NR–SOB), y co-
mo soporte se empleo espuma de
poliuretano de poro abierto (Fig. 2).
Empleando NaNO3como compues-
to donador de electrones.
La optimización del proceso fue
alcanzada mediante el estudio del
efecto de diferentes variables ope-
racionales durante un tiempo de ex-
perimentación del biofiltro de 2
años. Los valores óptimos de ope-
ración fueron: pH entre 7,4-7,5;
temperatura de 30ºC; velocidad su-
perficial del medio de recirculación
entre 7-15 m h-1. En este sistema el
azufre elemental fue el producto
principal cuando se trabajó con rela-
ciones de nitrato consumido por gra-
mo de azufre degradado menores
de 0,4 g N-NO3-(gS-H2S)-1 y cuando
ocurrió una sobrecarga de H2S en el
sistema, llegándose a obtener más
de un 80% de azufre en ambos ca-
sos. La dosificación de nitrato óptima
fue realizada de forma semi-continua
empleando un sistema automático
de tiempos de encendido y apagado
de una bomba dosificadora.
El efecto de la presencia de MM
se probó en un rango de concen-
traciones de entre 6,5 y 91,9 ppmv
sin observarse una disminución de
la eliminación anóxica de H2S.
Bajo estas condiciones la capa-
cidad de eliminación crítica fue de
130 gS-H2S m-3h-1 (R=99%); valo-
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Figura 2. Cubos de espuma de poliuretano

res superiores a los obtenido por
Soreanu et al., (2008b; 2009),
quienes reportan valores entre 9,0
y 11,8 gS-H2Sm-3h-1, emplean-
do biofiltros percoladores anóxi-
cos empaquetados con fibras de
plástico y roca volcánica.
Durante la operación del biofil-
tro fue necesario realizar labores
de mantenimiento del biofiltro en
dos ocasiones debido a la acumu-
lación de azufre elemental en el
soporte, lo cual provoco la colma-
tación del lecho. Dicho manteni-
miento consistió en cambiar el
50% del soporte, por espuma de
poliuretano nueva. A las 24 horas
de haber realizado estos cambios
de soporte, el biofiltro mostró valo-
res de eliminación superiores al
90%, alcanzando nuevamente un
99% a los 4 días. Esto constituye
una ventaja importante del proce-
so, ya que evita tener que realizar
paradas largas del sistema por la-
bores de mantenimiento.
RESULTADOS A NIVEL PILOTO
Una vez estudiado el proceso
de biofiltración a escala de labo-
ratorio, el siguiente paso es opti-
mizar este proceso a nivel de es-
cala piloto. Para ello, se
construyó un biofiltro percolador
aplicando un factor de escala
100:1 a las dimensiones del equi-
po de laboratorio. Con esta premi-
sa, se diseñó un equipo con una
altura total de 2,1 m, un diámetro
de 0,5 m y una altura de relleno
de 0,85 m (Fig. 3). Un esquema
de este equipo experimental, ins-
talado en la UTE EDAR Bahía
Gaditana (San Fernando, Cádiz),
se muestra en la Figura 4. Como
soporte para el crecimiento de los
microorganismos se utilizó espu-
ma de poliuretano de poro abierto
y este equipo está conectado a la
salida de uno de los digestores
anaerobios de la EDAR.
La experimentación en este
equipo se centró en dos objetivos:
analizar las variaciones en la capa-
cidad de eliminación, para distintas
cargas de contaminante, que se
puedan producir como consecuen-
cia del cambio de escala; y, por
otro lado, obtener información sufi-
ciente para proponer un modelo de
control que permita minimizar los
costes energéticos y de reactivos
garantizando un correcto rendi-
miento en la eliminación.
Desde el inicio tras la inocula-
ción se obtuvieron porcentajes de
eliminación superiores al 98%. Es-
te hecho es muy importante, ya
que indica que la población bacte-
riana está muy activa, aunque se
debe a la biomasa que se encuen-
tra en suspensión. No obstante se
comprobó que es recomendable
trabajar en estos instantes a un pH
de 6,8 y una carga de alimentación
de entre 40-50 gS-H2Sm–3h–1. Una
vez transcurridos los primeros dí-
as de estabilización del biofiltro
(90-100 días, aproximadamente),
se comenzó a aumentar la carga
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Figura 3. Biofiltro piloto instalado en la EDAR
Cádiz-San Fernando
Figura 4. Esquema experimental del biofiltro a escala piloto

del sistema hasta valores de 118
gS-H2Sm-3h–1 obteniéndose valo-
res de la eficacia de eliminación
entre el 95–98%.
Estos resultados preliminares
permiten asegurar que este tipo de
procesos es adecuado para la lim-
pieza del biogás que sale de un di-
gestor anaerobio real en una planta
de depuración de aguas residuales
con altos niveles de eficacia.
Como conclusión, se puede decir
que la biofiltración anóxica de los
gases generados en una EDAR es
una técnica efectiva para la elimina-
ción de los compuestos sulfurados
presentes en éstos, comprobándose
su viabilidad y versatilidad tanto a ni-
vel de laboratorio, como de planta
piloto. Los resultados obtenidos en
este tipo de estudio nos permitirán
aplicar esta tecnología a estos mis-
mos gases generados en otro tipo
de instalaciones, resultando en un
proceso amigable medioambiental-
mente y de fácil aplicación.
Los resultados obtenidos en es-
te tipo de estudio nos permiten
aplicar esta tecnología a estos mis-
mos gases generados en otro tipo
de instalaciones, resultando en un
proceso amigable medioambiental-
mente y de fácil aplicación.
AGRADECIMIENTOS
Los autores de este trabajo
agradecen al Plan Nacional de
I+D+i por la financiación recibida
a través de los proyectos:
PPQ2002-00217, CTM2006-
05497, CTM2009-14338-C03-02
(TECNO) y a la UTE EDAR Ba-
hía Gaditana por permitirnos rea-
lizar la experimentación a nivel de
planta piloto.
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