Esta investigación evalúa el uso de subproductos reciclados de plantas de tratamiento de aguas residuales como material de empaque en biofiltros percoladores (BTF) para la eliminación de olores.
Se probaron tres materiales: anillos Pall comerciales, tapones de botellas de plástico reciclado y un soporte optimizado fabricado con plástico reciclado mediante impresión 3D. Los resultados mostraron una eliminación del 100% de H₂S y NH₃ con tiempos de residencia de hasta 6 segundos, y más del 90% de eliminación de COVs a tiempos de residencia mayores. El mejor desempeño se obtuvo con el soporte optimizado de plástico reciclado impreso en 3D, logrando una eliminación total de tolueno y α-pineno. El estudio confirma que los plásticos reciclados del ciclo integral del agua pueden ser materiales de empaque efectivos y sostenibles para BTFs en el tratamiento de olores.
S. Sáez-Orviz a-b, R. Lebrero a-b, L. Terrén c, S. Doñate c, M.D. Esclapez c, L. Saúco c y R. Muñoz a-b*
a Instituto de Procesos Sostenibles (ISP), Universidad de Valladolid, Mergelina s/n, 47011 Valladolid,
b Department of Chemical Engineering and Environmental Technology, School of Industrial Engineering, University of Valladolid, Dr. Mergelina, s/n, 47011 Valladolid, Spain
b Depuración de Aguas del Mediterráneo (DAM), Av. Benjamín Franklin, 21, 46980 Paterna, Valencia, España.
* raul.munoz.torre@uva.es
Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.
Editor académico: Carlos N Díaz.
Calidad del contenido: Este artículo científico no ha sido revisado por pares.
Citación: S. Sáez-Orviz, R. Lebrero, L. Terrén, S. Doñate, M.D. Esclapez, L. Saúco y R. Muñoz, 2024, Biofiltración de Emisiones Odoríferas en EDARs Mediante la Reutilización de Subproductos del Ciclo Integral del Agua, ODORA24 Conference, Barakaldo, Spain, www.olores.org.
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ISBN: pendiente
Palabras clave: biofiltración de gases, biofiltro percolador, material de relleno a base de plástico reciclado, planta de tratamiento de aguas residuales, tratamiento de olores.
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Resumen
Las emisiones de las EDAR incluyen compuestos como H2S, NH3 y COV, causantes de olores desagradables y con riesgo para la salud. Las tecnologías biológicas, como los biofiltros percoladores (BTFs) y los biofiltros (BFs), son la alternativa de tratamiento más rentable y respetuosa con el medioambiente. El material de relleno es crucial debido a su coste y al reemplazo frecuente, impactando en la sostenibilidad medioambiental del proceso. El objetivo de esta investigación es desarrollar y validar subproductos de las EDAR como materiales de relleno para BTFs y evaluar su rendimiento en diferentes TRG. El montaje experimental incluyó tres BTFs (2 L), evaluando tres materiales de relleno: anillos Pall comerciales, materiales plásticos reciclados (tapones de botellas) y materiales plásticos reciclados extruidos en forma de soporte optimizado fabricado mediante impresión 3D. Se trataron corrientes gaseosas que simulaban las concentraciones de contaminantes de una EDAR española y se evaluó la eficacia de eliminación (EE). Se obtuvo un 100% de EE para H2S y NH3 en TRGs de hasta 6 s y un 90% de EE para los COVs en TRGs de 30 y 15 s. Los mejores resultados se obtuvieron con los materiales plásticos reciclados extruidos en forma de soporte optimizado (100% de EE para tolueno y α-pineno en TRGs de 30-15s). La población bacteriana fue diversa, encontrándose el género Thiobacillus en los tres BTF. Esta investigación confirmó el potencial de los plásticos reutilizados y reciclados procedentes del ciclo integral del agua como material de envasado en BTF dedicados al tratamiento de olores.
1. Introducción
Las emisiones de las EDAR se componen de una mezcla de compuestos químicos, principalmente H2S, NH3 y compuestos orgánicos volátiles (COVs). Estos compuestos se caracterizan por ocasionar molestias desagradables, pueden ser tóxicos y causar efectos adversos para la salud. Las tecnologías biológicas son la alternativa más rentable y respetuosa con el medio ambiente para su tratamiento. Entre los biorreactores más empleados se encuentran los biofiltros percoladores (BTF) y los biofiltros (BF), destacando ambos por su eficiencia y sus bajos costes de funcionamiento (Lebrero et al., 2014). Concretamente, los BTF están muy extendidos hoy en día en las EDAR, debido a su mínima contaminación secundaria, su alta eficacia en la reducción de concentraciones a niveles de traza, su flexibilidad operativa y sus menores costes de operación (Lee et al., 2021) (Liu et al., 2023). La selección del material de relleno para los BTF es la variable de diseño más crítica, ya que suelen ser caros y necesitan ser reemplazados frecuentemente, reduciendo la sostenibilidad ambiental del proceso (Lebrero et al., 2021). En este contexto, a pesar de que el sector del agua genera importantes cantidades de residuos plásticos, nunca se ha evaluado el potencial de estos (recogidos o transformados en diseños novedosos) como material de relleno en BTFs, lo que fomentaría la economía circular en el sector de las EDAR.
El objetivo de esta investigación fue el desarrollo y validación de nuevos materiales plásticos de relleno obtenidos a partir de subproductos generados en las EDAR para la mitigación de malos olores. Se comparó el rendimiento de tapones de botellas de plástico y de un nuevo soporte fabricado con plástico extruido mediante impresión 3D con el de los anillos Pall comerciales en la reducción de las emisiones de un gas sintético con H2S, NH3, tolueno y α-pineno como compuestos odoríferos modelo a TRGs que oscilaron entre 30 y 6 s. También se investigó la comunidad microbiana establecida en los materiales de relleno al final del experimento.
2. Materiales y métodos
2.1 Microorganismos, medio mineral salino y contaminantes gaseosos
Se empleó lodo fresco procedente de una EDAR local (Valladolid, España) como inóculo. Para el riego y recirculación de los BTF se preparó un medio mineral salino (MMS) que simulaba la composición del efluente de una EDAR doméstica: 66,0 mg L-1 (NH4)2SO4; 14,4 mg L-1 K2HPO4·3H2O; 840,0 mg L-1 NaHCO3 (los tres de Panreac AppliChem, España) y 68,5 mg L-1 de glucosa (Sigma-Aldrich, Alemania). Debido a la demanda microbiana, a partir del día 16, se duplicó la concentración de NaHCO3 (1,7 g L-1). Se seleccionaron como compuestos odoríferos modelo H2S (22% en una matriz de N2) (Carburos Metálicos, España), NH3 (30% en una matriz acuosa) (Panreac AppliChem), tolueno y α-pineno, ambos como modelos de COVs poco solubles (Sigma-Aldrich).
2.2 Diseño experimental
El sistema experimental consistió en 3 BTF cilíndricos de PVC transparente de 2 L que operaron de manera independiente (8,0 cm de diámetro interno y 48,0 cm de altura). En cada uno, se evaluó un material de relleno diferente: anillos Pall comerciales (PC), material plástico reciclado (tapones de botellas, TB) y materiales plásticos reciclados extruidos en forma de soporte optimizado fabricado mediante impresión 3D (MPE). La corriente gaseosa a tratar se diseñó con concentraciones similares a las de una EDAR española: 25 ppmv de H2S, 27 ppmv de NH3 y 2,5 mg m-3 de tolueno y α-pineno. Se evaluó la influencia del TRG en la eficacia de eliminación (EE) de los compuestos odoríferos a 30, 15, 10 y 6 s durante 92 días.
2.3 Técnicas analíticas
El H2S y el NH3 se midieron con sensores electroquímicos Dräger X-am 5000 (Drägerwerk, Alemania). Los COVs se midieron mediante microextracción en fase sólida (SPME) en bulbos de vidrio de 250 mL (Sigma-Aldrich) y se preconcentraron durante 15 min utilizando fibras SPME PDMS/Carboxen de 85 μm (Supelco, EEUU). Las fibras se inyectaron en in GC-FID (serie HP 6890, Hewlett Packard EEUU). El pH del medio líquido recirculante se midió con un pH-metro (Crisson, España). Las concentraciones de aniones se determinaron mediante HPLC-IC equipado con una columna IC-PAK Anion HC (Waters). La concentración de TOC, IC y TN se analizó con un equipo TOC-VCSH (Shimadzu, Japón). La caída de presión se determinó mediante un manómetro en forma de U utilizando agua como fluido manométrico. La formación de la biopelícula microbiana en los diferentes rellenos se observó visualmente a lo largo del tiempo.
2.4. Análisis de la comunidad microbiana
Se tomaron muestras de biomasa de cada BTF del último día de experimentación para el análisis metagenómico. La biomasa se centrifugó a 13.000 x g durante 15 min y el ADN del pellet se extrajo con el kit comercial FastDNATM SPIN Kit for Soil (MP Biomedicals, EEUU). La preparación de la librería y la secuenciación metagenómica de amplicones (Illumina Mini Seq) fue realizada por Novogene (Reino Unido), empleando el software FLASH V1.2.11 (Magoč y Salzberg, 2011), el software Uparse v7.0 1001 (Edgar, 2013) y la base de datos de genes de referencia SILVA (Quast et al., 2013).
3. Diseño sostenible
3.1 Influencia del TRG en el pH y la formación de biopelícula
El pH del MMS empleado para el riego y recirculación de los BTF fue de 7,97 ± 0,35. Durante los primeros 16 días, el pH descendió a 6-6,5 en los tres BTF, debido a la rápida oxidación del H2S a sulfato y del amoniaco a nitrato, y también a la baja capacidad buffer del MMS. Una vez que se duplicó la cantidad de bicarbonato en el MMS, el pH se estabilizó en 7,97 ± 0,68; 8,14 ± 0,58 y 8,06 ± 0,57 para BTF-PC, BTF-TB y BTF-MPE, respectivamente, independientemente del TRG evaluado. Tras la inoculación, los microorganismos comenzaron a proliferar en todos los materiales de relleno formando una biopelícula que se mantuvo estable. Los rellenos TB y MPE mostraron la mayor formación de biopelícula mientras que los PC mostraron una menor formación de la misma, probablemente debido al elevado espacio vacío y a la baja rugosidad de su superficie (Jin et al., 2007).
3.2 Influencia del TRG en la concentración de carbono inorgánico (IC) y orgánico (TOC)
Inicialmente, el MMS tenía una concentración de 120 mg L-1 de IC que fue consumida completamente por los microorganismos durante los primeros 15 días. Tras duplicar la cantidad de bicarbonato del medio, se produjo una estabilización del pH y un aumento en la eliminación de contaminantes. La concentración de IC en los efluentes de salida de los tres BTF fue similar, independientemente del TRG ensayado (80,5 ± 40,6; 88,0 ± 34,6 y 96,1 ± 37,0 mg L-1, para BTF-PC, BTF-TB y BTF-MPE, respectivamente). Por otro lado, la concentración de TOC permaneció constante con valores medios de 9,8 ± 1,5; 8,7 ± 1,1 y 10,3 ± 2,2 mg L-1 para BTF-PC, BTF-TB y BTF-MPE, respectivamente, independientemente del TRG ensayado.
3.3 Influencia del TRG en la eficacia de eliminación de H2S y NH3
La concentración media de H2S en el gas de entrada fue de 26,8 ± 4,1 ppmv. A partir del día 18, la concentración de H2S en el gas de salida fue de 0 ppmv en los tres BTF. Por tanto, se obtuvo una EE de H2S del 100% en todos los materiales de relleno evaluados, independientemente del TRG ensayado. Otros estudios han logrado EE de H2S comparables con TRGs similares (Ying et al., 2020) (Chen et al., 2014), demostrándose así la alta eficacia de los BTF para la reducción de bajas concentraciones de H2S a TRGs de trabajo bajos (30–10 s). Para determinar la actividad biocatalítica de las bacterias oxidadoras de azufre se determinó la concentración de sulfatos en el efluente líquido de los tres BTF, obteniéndose valores comprendidos entre 897,2 ± 21,9 y 516,1 ± 17,3 mg L-1 en los TRG evaluados. La concentración media de amoniaco en el gas de entrada fue de 30,0 ± 5,3 ppmv. Desde el comienzo de la experimentación, la EE de NH3 fue del 100% en los tres BTF. La actividad nitrificante de la comunidad microbiana adherida a los materiales de relleno se comprobó midiendo la concentración de NO2- y NO3- en los efluentes de salida de los BTF, con concentraciones comprendidas entre 309,2 ± 65,1 y 52,3 ± 11,8 mg L-1 de NO2- y 492,3 ± 68,5 y 292,4 ± 57,6 mg L-1 de NO3- en los diferentes TRG evaluados.
3.4 Influencia del TRG en la eficacia de eliminación de los COVs
La concentración media de tolueno en la entrada del sistema fue de 3,5 ± 0,9 mg m-3. El estado estacionario se alcanzó el día 28 en el BTF-TB y BTF-MPE, con una EE del 100% para el TRG de 30 s (Figura 1-A). El BTF-PC alcanzó el estado estacionario a partir del día 30, con un EE de 76,1%. En el TRG de 15 s se alcanzó una EE del 100%; 92,6 ± 0,08% y del 92,6 ± 1,45% para BTF-MPE, BTF-TB y BTF-PC, respectivamente. La mejora en la EE del BTF-PC pudo deberse a que se necesitó más tiempo para la proliferación bacteriana debido a la menor superficie y rugosidad de los anillos Pall. La concentración media de α-pineno en la entrada del sistema fue de 4,8 ± 1,1 mg m-3. Para el α-pineno, el estado estacionario se alcanzó a partir del día 39 (Figura 1-B), necesitándose más tiempo para la biodegradación que en el caso del tolueno, ya que los monoterpenos son compuestos recalcitrantes (Kleinheinz et al., 1999). Para los TRG de 30 y 15 s, el BTF-MPE alcanzó una EE del 100% en el estado estacionario. En ambos COVs, se produjo una disminución gradual de la EE en los TRG de 10 y 6 s. Los resultados obtenidos para la biodegradación de los COVs en el BTF-MPE para los TRG de 30 y 15 s son muy prometedores, ya que generalmente para lograr una eliminación de COVs completa se suelen emplear TRGs más elevados (otros autores, como Lv et al., 2023 emplearon TRGs de 50 s).
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| Fig. 1. Evolución temporal de las eficacias de eliminación (EE) de (A) tolueno y (B) -pineno en BTF-PC (■), BTF-TB (▲) and BTF-MPE (○) |
3.5 Influencia del TRG en la caída de presión
La caída de presión de los BTF aumentó a medida que aumentó el caudal del aire. Ésta se mantuvo por debajo de 20,8 mm de H2O m-1 en los EBTR de 30 y 15 s y aumentó hasta 41,7 mm de H2O m-1 en los TRG de 10 y 6 s, independientemente del material de relleno empleado. En todos los TRG evaluados, la caída de presión fue inferior a 100 mm de H2O m-1, considerado el umbral en la biofiltración de gases para minimizar los costes de operación (Delhoménie y Heitz, 2005).
3.6 Análisis de la comunidad microbiana
El análisis de la comunidad bacteriana de las muestras mostró que la mayoría de las bacterias presentes en los BTF pertenecían a la clase Gammaproteobacteria. El género Thiobacillus se encontró en los tres BTF (18,15% en BTF-MPE, 25,79% en BTF-PC y 37,20% en BTF-TB). Este género pertenece al grupo de las bacterias oxidantes de azufre siendo responsable de la oxidación de H2S a SO42- (Kumar et al., 2020). También se encontraron bacterias oxidantes del amoniaco, del nitrito y bacterias desnitrificantes en los tres BTF, pertenecientes a los géneros Nitrospira y Nitrosomas. También estaban presentes varios géneros responsables de la degradación de los COVs, como Mycobacterium y Pseudoxanthomonas (González-Martín et al., 2024) (Yamaguchi et al., 2018), que fue predominante en el BTF-PC (22,50%).
4. Conclusiones
Esta investigación ha demostrado la viabilidad de un concepto innovador basado en la economía circular dentro del ciclo integral del agua a través del empleo de materias plásticos reciclados como material de relleno. Se consiguió una eliminación completa de H2S y NH3 en un rango de TRGs de entre 6 y 30 s, independientemente del material de relleno empleado. Se registraron EE superiores al 90% para los COVs en todos los materiales de relleno para los TRG de 15 y 30 s. El mejor rendimiento se obtuvo con el soporte plástico reciclado extruido, que consiguió EE del 100% para tolueno y α-pineno en TRGs de 30 y 15 s. Las características de este material de relleno, como su diseño, gran superficie específica, rugosidad y estabilidad química favorecieron la multiplicación bacteriana. Este material de relleno favoreció el crecimiento de los géneros Thiobacillus, Thiotris, Nitrospira y Pseudoxanthomonas, entre otros.
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