TRATAMIENTO BIOTECNOLÓGICO DE CORRIENTES GASEOSAS
D lf ió E i i i d Bi áDesulfuración y Enriquecimiento de Biogás para su aprovechamiento
H2O + CO2
SELLO BIOGÁS
Pozo Pozo
BIOGÁS
Basura
Dr. Armando González Sánchez
Área Ingeniería Ambiental
Instituto de Ingeniería UNAM
LIXIVIADOS
Barrera de arcilla
Instituto de Ingeniería, UNAM
Correo electrónico: [email protected]
Contaminación AtmosféricaConsecuencias
•IndustrializaciónT ió
mal olor (0.01–0.3 ppmv)
corrosión
Actividades COCO2,2, NOxNOx, SOxH2S, CS2, R‐SHCHCH VOC´s•Transportación
•Plantas tratadoras
toxicidadCHCH4,4, VOC s
de agua residual•Rellenos sanitarios
Acumulación de
gases de efecto gases de efecto
Fuentes naturalesFuentes naturales invernadero (GHG)invernadero (GHG)
Tratamientos biotecnológicos son opcionesopciones promisorias
BiofiltrosBiofiltros y y BiofiltrosBiofiltros de lecho escurridode lecho escurridoBiofiltrosBiofiltros y y BiofiltrosBiofiltros de lecho escurridode lecho escurrido
Condiciones ambientales
Bajas Concentraciones (0.01 a 10 g m-3) Altos flujos de gas (50 a 200,000 m3 h-1)
Rango de aplicación de opcionesopcionestecnológicas para el tratamiento de gases
1,000,000Flujo Aire (m3/h)
10,000
100,000Biofiltros lecho empacado BiofiltrosBi l d
incineración
100
1,000
Crio condensación
Adsorción c/ regener.
Biolavadores Lavador Condensación
10
100
0.1 1 10 100
Adsorción sin regeneraciónCrio condensación
Concentración (g/m3)
Dragt, 1992; VanGroenestijn y Hesselink, 1993; Devinny et al., 1999).
Consideraciones para la selección del sistema de tratamiento de emisiones gaseosas
En la corriente gaseosa contaminadalFlujoTemperaturaHumedadComposiciónComposición
Propiedades del contaminanteToxicidadCorrosividadCombustibilidadSolubilidadBiodegradabilidadBiodegradabilidad
Requerimientos de eliminaciónCapacidad de eliminación (gcontaminante m3
reactor h‐1)p (gcontaminante reactor )Eficiencia de eliminación (%)
Costos de Inversión y operación
OtrosGeneración de desechos y subproductos (recuperar, reutilizar o reciclar)(recuperar, reutilizar o reciclar)
El BIOFILTRO
Airelimpio
Aire limpioBiopelícula
pO2
Lecho orgánico+microorganismos
Contaminante GAS
Producto no tóxico
Aire contaminadoLechoempacado
AireContaminado(húmedo) Ventajas:(húmedo)
Lixiviados
Ventajas:Poca supervisión, poco consumo de energíaDiversos compuestos
Desventajas:Poco control en la condiciones ambientalesRiesgo de taponamiento
Proceso de Transferencia-Biorreacción BIOFILTRO
Altura
gCa de bio
g
bC
filtro
GasBiopelículaSoporte
r2
2b
iCDx
∂∂
gB b
Ck a C
H⎛ ⎞
−⎜ ⎟⎝ ⎠
ibr ,⎝ ⎠
Espesor de peliculas
LíquidoRecirculación
El BIOFILTRO DE LECHO ESCURRIDO
Airelimpio
Aire limpioBiopelícula
limpioO2
Lecho inorgánico+microorganismos
Contaminante GAS
Producto no tóxico
do cu
lac
ión
Aire contaminadoLechoempacado
Airecontaminado L
íqu
idR
ec
irc p
Ventajas:
AguaNutrientes
Buen control en la condiciones ambientalesTratan compuestos medianamente solubles
Purga
Nutrientes Desventajas:Riesgo de taponamientoMayor consumo de energía en la operación
Proceso de transferencia-biorreacción BIOFILTRO LECHO biorreacción BIOFILTRO LECHO ESCURRIDO
Altur C
lk gk
ra de bio
gClC
bC
filtro
GasLíquidoBiopelículaSoporteC⎛ ⎞
ibr ,
2
2b
iCDx
∂∂
gL l
CK a C
H⎛ ⎞
−⎜ ⎟⎝ ⎠( )B l bk a C C⋅ −
,
Espesor de peliculas
El BIOFILTRO DE MEMBRANA
Ventajas:•Buen control en la condiciones ambientales•Aumenta el área interfacial para la eliminación•Selectivo y fácil escalamiento
Desventajas:•Altos costos de construcción•Falta de estabilidad en su eficiencia de eliminación (crecimiento excesivo)
Caracterización del proceso de la Biofiltración- Parámetros
PARÁMETROPARÁMETRO
Tiempo de residencia de lecho vacío (TRLV)[=] min
rVTRLVQ
=[ ]
Velocidad superficial (vs)[=] m h-1
Q
QvsA
=
Carga másica de entrada (ML)[=] gcontaminante m-3
biofiltro h-1
A
giL
r
Q CM
V⋅
=
Capacidad de Eliminación (CE)[=] gcontaminante m-3
biofiltro h-1( )gi go
r
Q C CCE
V⋅ −
=
Eficiencia de Eliminación (%E) ( )100% gi go
gi
C CE
C⋅ −
=
¡ Deseable: bajos TRLV y %E cercanas al 100% !¡ Deseable: bajos TRLV y %E cercanas al 100% !
La Biofiltración de gases-BIORREACCIONESBIORREACCIONES
Proceso Biorreacciones
CrecimientoC+H+N+O+P BIOMASA
Oxidación Total aerobia(mineralización)
C CO2N NO3‐S SO4
2‐
Oxidación Parcial
Et‐OH Acetaldehído + Ac. Acético + CO22NH4+ NO2‐ + NO3‐HH22S S SS00 + SO+ SO44
22‐‐
Oxidación Total anóxicaOxidación Total anóxica
H2S + NO3‐ SO42‐ + N2
Fijación fototrófica deFijación fototrófica de CO2
COCO22 ALGAS + OALGAS + O22
ELIMINACIÓN BIOTECNOLÓGICA DE H2S
– Aire apestosoComposición
Nitrógeno (N ) 79 %Nitrógeno (N2) 79 %
Dióxido de carbono (CO2) 0.2 %
Oxígeno (O2) 20.8 %
P bl d l d bi t i lSulfuro de hidrógeno (H2S) > 0.02 ppmv Problema de salud y bienestar social
– BiogásComposición
M t (CH ) 40 60 %Metano (CH4) 40‐60 %
Dióxido de carbono (CO2) 20‐30 %
Oxígeno (O2) 1.5 % Problema ambiental, de salud y deSulfuro de hidrógeno (H2S) 0.1‐1 % Operación en quemadores
Eliminación Biotecnológica de H2S de Aire (apestoso) Líquido
Aireli i
recirculación
Aire limpioBiopelícula
limpioO2
LechoEmpacadoconBi
H2SSO4
2-Biomasa
o ula
ció
nAire contaminado
Lechoempacado
4
Airecontaminado
H S H S
Líq
uid
ore
cir
cu empacado
Agua
Absorción H2S ↔ H2S(l)(¡paso limitante!, ¡¡caso de olores!!)
Oxidación Biológica (exceso de oxígeno)
13Purga
Nutrientesg ( g )
H2S(l) + 2O2 SO42- + H+
Absorción Física de H2S: Velocidad
Aire limpioBiopelícula
Líquidorecirculación
kLa kGa 2G H SC
H2S
Aire contaminadoLechoempacado
2
*G H SC
*C2
*L H SC
C2( ) G H SCJ a K a C⎛ ⎞= ⎜ ⎟ 2L H SC2
2( ) L L H SJ a K a CH= −⎜ ⎟
⎝ ⎠1K AireLíquido
14
1 1L
L G
K a
k a Hk a
=+
Airecontamiando
Líquidorecirculación
Absorción de H2S con reacción químicaVelocidad bajo condición alcalina
kLa kGa[OH ]
2G H SCH2S + OH- ↔ HS- + H2OReacción instantánea [OH-]Reacción instantánea
(Danckwerts. Gas-Liquid Reactions,Mc Graw-Hill. 1970)
física absorción de velocidadreaccióncon absorción de velocidad
=E 2
*G H SC
2
*L H SC
C di ió d ió i t tá
[HS-]
Condición de reacción instantánea
E >> 1
( )rJ a k aC= [ S ]
AireLíquido 2L H SC
2( ) G G H SJ a k aC=
15
Airecontamiando
Líquidorecirculación
2L H S
Máximo TransporteNo resistencia en el liquido
Absorción de CO2 :con reacción químicaVelocidad bajo condición alcalina
kLa kGa[OH ]
2G COCCO2 + OH- ↔ HCO3
-
R ió i t tá [OH-]Reacción instantánea(Danckwerts. Gas-Liquid Reactions,Mc Graw-Hill. 1970)
física absorción de velocidadreaccióncon absorción de velocidad
=E 2
*G COC
2
*L COC
C di ió d ió i t tá
[HCO3-]
Condición de reacción instantánea
E >> 1
[ CO3 ]
AireLíquido 2L COC2
( )rG GCOJ a k aC=
16
Airecontamiando
Líquidorecirculación
2L CO
Máximo TransporteNo resistencia en el liquido
Crecen a partir de la Bacteria Crecen a partir de la energía liberada por la oxidación de compuestos
BacteriaSulfooxidante
Alcalófila oxidación de compuestosazufrados
Alcalófila
Thioalkalimicrobiumh lk l b HH S + OS + O SS00 + SO+ SO 22‐‐
Origen: lagunas carbonatadas y desiertos
Thioalkalivibrio HH22S + OS + O22 SS00 + SO+ SO4422
g g ysalinos
Aeróbica
Texcoco lake in MéxicoSoil pH can be > 11Na2CO3, 45%, NaCl 34%.
Crecen pH 7.50 - 10.65
Tolerancia a Na+ 0.3 - 4.3 mol L-1
17(Sorokin et al. J. Syst. Evol. Microbiol. 2001)
Biofiltración de olores en AIRE (H2S)
Escala laboratorio
Diámetro interno: 10 cm
Longitud de lecho: 60 cm
Modo de operación• Contracorriente
• TRLV: 1 a 6 segundos
[H S] t d 1 8 t 18 • [H2S] entrada : 1.8 to 18 ppmv
• pH = 10 (alcalino) y T = 22°C
99 % de eliminación hasta 40 g m-3 h-1
!Limitación por Reacción Biológica!
Fotobiorreactores para la fijación de CO22
COCO22 ALGAS + OALGAS + O22
Puede mitigar el efecto de GASES DEEFECTO INVERNADERO (GHG) además deEFECTO INVERNADERO (GHG) además dere aprovechar recursos en:
Gases de combustiónBiogás
Fotobiorreactores para la fijación de CO2
•Tanques abiertos para el cultivo de microalgas
• Uso de la energía del sol para:
2
• Uso de la energía del sol para:
•Algas Algas + O2
•Algas Biodiesel Energíag g
•Algas proteínas, antibióticos
• Adecuado suministro de luz (fotones) y CO2
P bl átiP bl átiProblemática:Problemática:
Imposibilidad de suministrar luz continuamente,
Zonas oscuras (crecimiento excesivo)Zonas oscuras (crecimiento excesivo)
Microalgas sensibles a la agitación
Procesos lentos; Reactores grandes
Gran consumo de energía para operación
Enriquecimiento y desulfuración de Enriquecimiento y desulfuración de Biogás para su aprovechamientoBiogás para su aprovechamientoBiogás para su aprovechamientoBiogás para su aprovechamiento
H2O + CO2
Justificación del Proyectoy
El d l bi á b tibl tá• El uso del biogás como combustible está condicionado a reducir su contenido de HH S < 6S < 6 ppmppm (NOM‐001‐2007 para gasHH22S < 6 S < 6 ppmppmvv (NOM 001 2007 para gas natural)
• El poder calorífico del biogás esta diluido por la presencia de COCO22la presencia de COCO22
• Se puede re aprovechar recursos: energéticosSe puede re aprovechar recursos: energéticos (CH4) y residuos (CO2 y O2)
HipótesisHipótesis
L b ió l li i ltá d HH S COS CO• La absorción alcalina y simultánea de HH22S y COS y CO22 a partir de biogás amargo, suministrará de forma controlada los sustratos necesarios para efectuarcontrolada los sustratos necesarios para efectuar los procesos de sulfooxidaciónsulfooxidación y fotosíntesisrespectivamente; se prevé que ésta última etapa p ; p q ppuede resultar limitante del proceso global sí la transferencia y disponibilidad de luz no resulta fi i t t l t t l blsuficiente respecto a los sustratos solubles
alimentados. Se podrá aprovechar el oxígeno aprovechar el oxígeno generado durante la etapa fototrófica en la etapagenerado durante la etapa fototrófica en la etapa sulfoxidante
Bi áBiogásS d l d i ió biSe produce por la descomposición anaerobia de materia orgánica
Rellenos sanitariosRellenos sanitarios
Digestores anaerobios
Plantas de tratamiento de agua residualPlantas de tratamiento de agua residual
Rango de Composición Típica
Metano (CH4) 40‐60 %
Dióxido de carbono (CO2) 20‐30 %
Oxígeno (O2) 1.5 %g ( 2)
Sulfuro de hidrógeno (H2S) 0.1‐1 %
Sistema Biolavador para la eliminación de H2S del biogás (Proceso Thiopaq®).
¡Si se aplica a la desulfuración de BIOGÁS también se absorberá gran parte del CO¡Si se aplica a la desulfuración de BIOGÁS también se absorberá gran parte del CO22!!HH22S y COS y CO22 son gases ácidosson gases ácidos
Transformación biológica de H S y CO bajo condición H2S y CO2 bajo condición alcalina en biorreactores
Aire Gastado2(g)
BiorreactorC b t
NaOH
Foto-BiorreactorBiorreactorHS- + 0.5 O2 S0 + OH-Carbonatos
SulfurosNutrientes
HCO-3 Biomasa + O2
(algas)
NitrógenoAire
S0 Algas
Nitrógeno
P t d i ti ió i tífi Proyectos de investigación científica y tecnológica para desarrollar en el IIUNAM
Proyecto CONACyT Ciencia Básica aprobado:
ESTUDIO DE LA ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE H2S Y CO2 A PARTIR DE BIOGÁS
Acción Integrada A2. AECID (Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo): Desulfuración sostenible de biogás mediante biorreactores para su
h i t f t d í lt tiaprovechamiento como fuente de energía alternativa
DESULFURACIÓN DE BIOGÁS PRODUCIDO EN PTAR Y RELLENOS SANITARIOS
•“Proceso híbrido oxidación con férrico y regeneración biológica”
•“Asimilación y adaptación de Proceso Thiopaq®”
•“Análisis de factibilidad técnica y económica del proceso de desulfuracióny p
• y aprovechamiento del biogás”
•“Mitigación de emisiones con potente efecto invernadero, eliminación de CH4 diluido
FOTOCATÁLISIS Y UV COMO PROCESOS PREVIOS A LA BIOFILTRACÏÓN DE COMPUESTOS RECALCITRANTES
Proceso híbrido químico‐biológicoDesulfuración de BiogásDesulfuración de Biogás
(pH 1 a 2, acido)
H2S
Fe3++
S0Producto de valoragregado
Acidithiobacillus ferroxidans
+g g
Fe2+Leptospirillum ferroxidans
Proceso y equipo experimentalProceso y equipo experimental
Prados de la MontañaPrados de la MontañaPrados de la MontañaPrados de la Montaña
METRO ObservatorioMETRO Observatorio
Sistema híbrido ubicado en el Relleno sanitario “Prados de la Montaña”(Cuajimalpa, D.F., México)
PublicacionesPublicaciones1 L Arellano García A González Sánchez 5 H Van Langenhove3 A Kumar4 S Revah (2012) Removal of odorantodorant dimethyldimethyl disulfidedisulfide1. L. Arellano‐García, A. González‐Sánchez, 5, H. Van Langenhove3, A. Kumar4, S. Revah (2012) Removal of odorantodorant dimethyldimethyl disulfidedisulfide
under alkaline and neutral conditions in biotrickling filters. Water Science & Technology. (Aceptado). AdscripcionAdscripcion IIUNAMIIUNAM
2. F. Almenglo; M. Ramírez; J.M. Gómez ; D. Cantero; S. Revah and A. González‐Sánchez. (2012) Effect of VOCs and Methane in VOCs and Methane in the biological oxidation of the ferrous ion by an acidophilic consortium. Environmental Technology. Volume 33, Issue. 5. pp. 531‐ 537.
3. Arellano‐Garcia Luis, Gonzalez‐Sanchez Armando, Baquerizo Guillermo, Hernandez‐Jimenez Sergio and Revah Sergio. (2010) Treatment of carbon disulfide and carbon disulfide and ethanethiolethanethiol vapors in alkaline biotrickling filters using an alkaliphilic sulfo‐oxidizing bacterial consortium. J ChemTechnol Biotechnol. Volume 85 Issue 3, Pages 328 – 335
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5. González‐Sánchez A., Revah S (2009). Biological Sulfide Removal Biological Sulfide Removal under Alkaline and Aerobic Conditions in a Packed Recycling Reactor. Water Science and Technology 59: 1415‐1421
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Revisor de RevistasRevisor de Revistas
• Applied Microbiology and Biotechnology
• Environmental TechnologyEnvironmental Technology
• Bioprocess and Biosystems Engineering
• African Journal of Microbiology Research
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H2O + CO2
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