Modelación del proceso de biofiltro percolador para el tratamiento de emisiones en aire de Compuestos Orgánicos Volátiles de elevada solubilidad en agua

Resum

La contaminación del aire producida por las emisiones a la atmosfera de compuestos orgánicos volátiles (COV) es una de las causas más importantes asociadas al deterioro de la calidad ambiental. Una de las fuentes principales de emisión de COV son las industrias que utilizan disolventes. En este sentido, las industrias deben hacer un esfuerzo por adaptar sus procesos productivos para minimizar el impacto ambiental. Sin embargo, las propiedades de los disolventes los convierten en indispensables en algunas aplicaciones por lo que el tratamiento de las emisiones derivadas de su uso se convierte en una necesidad. El uso de biofiltros percoladores para la depuración de COV de elevada solubilidad en agua es una tecnología sostenible, habiéndose demostrado que es una alternativa viable técnica y económicamente, tal y como avalan las investigaciones realizadas en las últimas décadas. Sin embargo, el desarrollo de la investigación sobre esta tecnología requiere dar un paso más para lograr consolidarla en el entorno industrial. Este trabajo de tesis doctoral tiene como objetivo principal el de desarrollar una herramienta matemática que incluya los principales mecanismos involucrados en la depuración de aire contaminado con COV de elevada solubilidad en agua mediante el proceso de biofiltro percolador en condiciones de operación típicas de la industria. Los COV de elevada solubilidad en agua están presentes de manera habitual en las emisiones gaseosas procedentes de la industria entre otras, de impresión flexográfica. Pese a que son compuestos con una biodegradabilidad relativamente elevada, la depuración de este tipo de COV suele verse limitada por la disponibilidad de oxígeno en el interior de la biopelícula, lo que favorece la acumulación de contaminante en el interior del sistema. En este sentido, una parte importante de la tesis doctoral ha consistido en profundizar en los mecanismos de transferencia de materia de contaminante y de oxígeno mediante la determinación de los coeficientes de transferencia de materia para ambos compuestos. La herramienta matemática desarrollada en la presente tesis doctoral tiene como finalidad simular y predecir la respuesta transitoria de los biofiltros percoladores sometidos a condiciones de carga variable y riego intermitente. El modelo matemático ha sido aplicado tanto a biofiltros percoladores utilizados en el laboratorio, en condiciones controladas de operación, como a biofiltros percoladores situados en instalaciones industriales, en los que se suele observar patrones de emisión más amortiguados. En la primera etapa de este trabajo se llevó a cabo el estudio experimental a escala de laboratorio de eliminación de emisiones en aire que contenían isopropanol, elegido éste como contaminante modelo. Para ello se utilizaron dos biofiltros percoladores empaquetados con diferente material de relleno: uno desordenado y otro estructurado. Durante este estudio se sometieron a los reactores a condiciones discontinuas de alimentación y de riego intermitente, y se evaluó la respuesta del biofiltro percolador a cambios en la concentración de alimentación de contaminante y de caudal de gas. Los resultados indicaron que el uso de patrones de riego intermitente provocaba una emisión fugitiva de contaminante en la corriente gaseosa de salida del biofiltro percolador que coincidía con el momento del riego. Para evaluar este efecto se aplicaron diferentes condiciones de riego al sistema, concluyendo que el patrón de riego podía utilizarse como estrategia para aumentar el rendimiento del reactor. Así mismo se sometió al reactor a un periodo de 7 semanas sin alimentación de COV. La capacidad de recuperación de los biofiltros percoladores puso de manifiesto la robustez del sistema. La siguiente fase de la tesis se centró en el estudio de la transferencia de materia en los biofiltros percoladores. Para ello se determinaron los coeficientes de transferencia de materia de isopropanol y de oxígeno para diferentes velocidades superficiales de líquido y de gas y para varios materiales de relleno. Los datos obtenidos en este estudio permitieron desarrollar correlaciones empíricas para caracterizar la relación entre los coeficientes de transferencia de materia y las velocidades superficiales de gas y de líquido aplicadas en el biofiltro percolador. Así mismo, se evaluó un material de relleno de uso industrial en términos de transferencia de oxígeno con el objetivo de compararlo con los materiales de relleno empleados en el laboratorio, demostrándose que, en las velocidades de aplicación de los biofiltros percoladores industriales, la transferencia de oxígeno para este material era similar a la obtenida con los materiales utilizados en el laboratorio. En la última parte del presente estudio se desarrolló un modelo matemático para la predicción de la respuesta transitoria de los biofiltros percoladores en condiciones de estado no estacionario de carga y de riego intermitente. El desarrollo del modelo se basó en balances de materia de isopropanol y de oxígeno en la fase gas, en la fase líquida y en la biopelícula. El modelo matemático se desarrolló asumiendo condiciones cíclicas de periodos con riego y de periodos sin riego, ya que ésta es la forma habitual de operación a nivel industrial. Durante los periodos con riego se consideró una fase líquida móvil, mientras que durante los periodos sin riego se consideró una fase líquida estancada. La calibración y validación del modelo matemático se realizó con datos de biofiltros percoladores utilizados a escala de laboratorio y a escala industrial. Las principales hipótesis del modelo estuvieron relacionadas con la resistencia a la transferencia de materia tanto durante el riego (fase líquida móvil) como durante el no riego (fase líquida estancada). La calibración del modelo se llevó a cabo con datos de experimentos realizados a escala de laboratorio en biofiltros percoladores sometidos a riego discontinuo y carga de contaminante intermitente. Considerando despreciable la resistencia a la transferencia de materia producida por la fase líquida estancada durante los periodos sin riego, el modelo fue capaz de reproducir el rendimiento global del sistema así como el patrón de emisiones ocasionado por el riego discontinuo. Además, permitió identificar que la relación entre la concentración de carbono orgánico en el tanque de recirculación y la emisión fugitiva observada durante los periodos con riego estaba asociada al incremento de la resistencia a la transferencia de materia entre la fase gas y la fase líquida móvil con respecto a las determinaciones realizadas en condiciones abióticas. Este fenómeno se asoció al cambio de las propiedades físicas que ocasiona la presencia de biopelícula. La aplicación del modelo para la predicción de las emisiones de salida de un biofiltro percolador instalado en una industria de impresión flexográfica demostró la utilidad práctica del modelo. La aplicación del modelo para la simulación de esta corriente se basó en las hipótesis de la existencia de una resistencia a la transferencia de materia de la fase gas a la fase líquida móvil durante el riego y una resistencia adicional con respecto al biofiltro percolador de laboratorio a la transferencia de materia desde la fase gas a la fase líquida estancada durante los periodos sin riego. Se utilizó un mayor espesor de biopelícula que en los biofiltros percoladores empleados en el laboratorio ya que se identificó que ésta actuaba cíclicamente como fuente/sumidero asociado a los periodos diarios de fabricación/no fabricación. El elevado espesor de la biopelícula provocó que durante los periodos de alimentación de COV al sistema, la parte no degradada del contaminante se acumulara en la biopelícula, produciéndose su desorción en los periodos en los que circulaba aire limpio por el reactor. Todo ello demostró la capacidad del modelo para reproducir los fenómenos complejos involucrados en la respuesta dinámica de los biofiltros percoladores que tratan compuestos orgánicos volátiles de elevada solubilidad en agua. El modelo matemático se integró en una herramienta informática mediante una GUI (Graphical User Inteface) desarrollada con MATLAB®. A fin de facilitar la comunicación con el usuario final, se generaron dos interfaces: una interfaz para introducir los datos para realizar las simulaciones y una interfaz de resultados. La herramienta desarrollada permite introducir de una manera sencilla patrones de concentraciones y caudales de gas variables, así como el uso de patrones de riego intermitente. Al terminar la simulación, la herramienta ofrece una pantalla de resultados con la información más relevante para evaluar el funcionamiento de los biofiltros percoladores: gráficas de patrón de emisión de la concentración de contaminante en la fase gas a la entrada y a la salida del reactor y de la variación temporal de la concentración de carbono disuelto en el tanque de recirculación, así como datos promedio de concentración de contaminante en las emisiones gaseosas a la entrada y a la salida del bioreactor, de carga volumétrica y de capacidad de eliminación.