La biofiltración es una técnica de control de la contaminación que utiliza un biorreactor que contiene material vivo para capturar y degradar biológicamente los contaminantes. Los usos comunes incluyen el procesamiento 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 utilizar oxidación biológica para eliminar compuestos orgánicos volátiles, olores e hidrocarburos.
Ejemplos de biofiltración incluyen:
Cuando se aplican a la filtración y purificación del aire, los biofiltros utilizan microorganismos para eliminar la contaminación del aire . [1] El aire fluye a través de un lecho empacado y el contaminante se transfiere a una delgada biopelícula en la superficie del material de empaque. Los microorganismos , incluidas bacterias y hongos , quedan inmovilizados en la biopelícula y degradan el contaminante. Los filtros percoladores y los biodepuradores dependen de una biopelícula y de la acción bacteriana en sus aguas recirculantes.
La tecnología encuentra su mayor aplicación en el tratamiento de compuestos malolientes y compuestos orgánicos volátiles (COV). Las industrias que emplean esta tecnología incluyen alimentos y productos animales, gases residuales de instalaciones de tratamiento de aguas residuales , productos farmacéuticos , fabricación de productos de madera, aplicación y fabricación de pinturas y revestimientos y fabricación y aplicación de resinas, etc. Los compuestos tratados suelen ser COV mixtos y diversos compuestos de azufre , incluidos 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 tanto o más terreno 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 diseñados han proporcionado importantes reducciones de huella en comparación con el tipo de medio orgánico de lecho plano convencional.
Uno de los principales desafíos para el funcionamiento óptimo del biofiltro es mantener la humedad adecuada en todo el sistema. Normalmente, el aire se humidifica antes de ingresar al lecho con un sistema de riego (aspersión), una cámara de humidificación, un biodepurador o un biofiltro percolador. Con un mantenimiento adecuado, un medio de embalaje orgánico natural como turba, mantillo vegetal, corteza o astillas de madera puede durar varios años, pero los materiales de embalaje diseñados, combinados con componentes orgánicos naturales y sintéticos generalmente durarán mucho más, hasta 10 años. Varias empresas ofrecen este tipo de materiales de embalaje patentados y garantías de varios años, que normalmente no se proporcionan con un biofiltro de lecho de virutas de madera o abono convencional.
Aunque se utilizan ampliamente, la comunidad científica aún no está segura de los fenómenos físicos que sustentan el funcionamiento de los biofiltros, y se continúa desarrollando información sobre los microorganismos involucrados. [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 período de tiempo moderado (aumento del tiempo de residencia = mayor tamaño y costos de capital), a precios razonables. concentraciones (y tasas de carga en lb/h) y que la corriente de aire esté a una temperatura viable para el organismo. 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 al quemar combustibles) y los productos de degradación forman biomasa, dióxido de carbono y agua adicionales. El agua de riego de medios, 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, es generalmente aceptada por las depuradoras de titularidad pública municipal sin ningún tratamiento previo.
Se están utilizando biofiltros en Columbia Falls, Montana , en la planta de tableros de fibra de Plum Creek Timber Company . [3] Los biofiltros disminuyen la contaminación emitida por el proceso de fabricación y los gases de escape emitidos son 98% limpios. La instalación de biofiltro más nueva y de mayor tamaño en Plum Creek costó 9,5 millones de dólares; sin embargo, aunque esta nueva tecnología es cara, a largo plazo costará menos tiempo extra que los incineradores alternativos de limpieza de gases de escape alimentados con gas natural (que no son tan respetuosos con el medio ambiente). amigable).
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 el agua superficial con fines potables desde principios del siglo XX y ahora está recibiendo más interés en todo el mundo. La biofiltración también es común en el tratamiento de aguas residuales , la acuicultura y el reciclaje de aguas grises , como una forma de minimizar la reposición de agua y al mismo tiempo aumentar la calidad del agua .
Un biofiltro es un lecho de medio sobre el cual los microorganismos se adhieren y crecen para formar una capa biológica llamada biopelícula . Por lo tanto, la biofiltración suele denominarse proceso de película fija. Generalmente, el biofilm está formado 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 fluyen a través de un lecho de medios y los compuestos suspendidos se transfieren a una biopelícula superficial donde se retienen los microorganismos para degradar los contaminantes . El aspecto del biofilm [6] suele ser viscoso y turbio.
El agua a tratar se puede aplicar de forma intermitente o continua sobre el medio, mediante flujo ascendente o descendente. Normalmente, un biofiltro tiene dos o tres fases, dependiendo de la estrategia de alimentación (biofiltro percolador o sumergido):
La materia orgánica y otros componentes del agua se difunden hacia la biopelícula donde se realiza el tratamiento, principalmente por biodegradación . Los procesos de biofiltración suelen ser aeróbicos , lo que significa que los microorganismos requieren oxígeno para su metabolismo. Se puede suministrar oxígeno a la biopelícula, ya sea al mismo tiempo 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 desempeño del proceso. Los principales factores que influyen son la composición del agua, la carga hidráulica del biofiltro, el tipo de medio, 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, adhesión 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 de difusión (movimiento browniano), convección, sedimentación y movilidad activa de los microorganismos. El proceso general de filtración consiste en la unión de microorganismos, la utilización del sustrato que provoca el crecimiento de la biomasa y el desprendimiento de la biomasa. [5]
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 cuentas y anillos. [7]
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 regresar rápidamente a los niveles iniciales luego de un período sin flujo, de uso intenso, choques tóxicos, retrolavado de medios (procesos de biofiltración de alta tasa), etc.
La estructura del biofilm protege a los microorganismos de condiciones ambientales difíciles 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):
Debido a que la filtración y el crecimiento de biomasa conducen a una acumulación de materia en los medios filtrantes, este tipo de proceso de película fija está sujeto a bioobstrucción y canalización del flujo. Dependiendo del tipo de aplicación y del medio utilizado para el crecimiento microbiano, la bioobstrucción se puede controlar mediante métodos físicos y/o químicos. Los pasos de retrolavado se pueden implementar usando aire y/o agua para alterar la biomat y recuperar el flujo siempre que sea posible. También se pueden utilizar productos químicos como agentes oxidantes ( peróxido , ozono ) o biocidas.
La biofiltración puede requerir un área grande para algunas técnicas de tratamiento (crecimiento suspendido y procesos de crecimiento adjunto), así como largos tiempos de retención hidráulica (laguna anaeróbica y reactor anaeróbico con deflectores). [11]
Para el agua potable, el tratamiento biológico del agua implica el uso de microorganismos naturales en el agua superficial para mejorar la calidad del agua. En condiciones óptimas, incluida una turbidez relativamente baja y un alto contenido de oxígeno, los organismos descomponen el material del agua y así mejoran la calidad del agua. Se utilizan filtros lentos de arena o filtros de carbón para proporcionar un soporte sobre el que crecen estos microorganismos. Estos sistemas de tratamiento biológico reducen eficazmente las enfermedades transmitidas por el agua, el carbono orgánico disuelto, la turbidez y el color del agua superficial, mejorando así la calidad general del agua.
Normalmente en el tratamiento de agua potable; Los filtros de arena o carbón activado granular se utilizan para evitar el nuevo crecimiento de microorganismos en las tuberías de distribución de agua al reducir los niveles de hierro y nitrato que actúan como nutrientes microbianos. GAC también reduce la demanda de cloro y la acumulación de otros subproductos de la desinfección al actuar como una primera línea de desinfección. Las bacterias adheridas a los medios filtrantes como una biopelícula oxidan el material orgánico como fuente de energía y carbono, esto evita que bacterias no deseadas utilicen estas fuentes, lo que puede reducir 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 del agua superficial, 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 en el agua. Dichas técnicas incluyen qPCR (reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa), ensayo de ATP, metagenómica y citometría de flujo. [12]
La biofiltración se utiliza para tratar aguas residuales de una amplia gama de fuentes, con diferentes composiciones y concentraciones orgánicas. En la literatura se describen muchos 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 lácteas, [15] aguas residuales domésticas . [dieciséis]
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 por ejemplo 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 un tanque séptico constituye un proceso robusto capaz de sostener la variabilidad observada sin comprometer el rendimiento del tratamiento.
En las instalaciones de tratamiento anaeróbico de aguas residuales, el biogás se alimenta a través de un biodepurador y se "lavado" con lodo líquido activado de un tanque de aireación. [Eliminación de sulfuro de hidrógeno de un biogás anaeróbico usando un biodepurador - ScienceDirect] El proceso de filtro percolador (TF) que se encuentra más comúnmente en el tratamiento de aguas residuales es [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 oxígeno bioquímico, la demanda química de oxígeno y los sólidos suspendidos. En los procesos de tratamiento terciario, la biofiltración se utiliza para controlar los niveles de carbono orgánico [Carlson, 1998].
El uso de biofiltros es común en sistemas acuícolas cerrados , como los sistemas acuícolas de recirculación (RAS). Las técnicas de biofiltración utilizadas en la acuicultura se pueden dividir en tres categorías: biológicas, físicas y químicas. El principal método biológico es la nitrificación, los métodos físicos incluyen técnicas mecánicas y sedimentación, y los métodos químicos generalmente se usan junto con uno de los otros métodos. [20] Algunas granjas utilizan algas marinas, como las del género Ulva, para extraer el exceso de nutrientes del agua y liberar oxígeno al ecosistema en un “sistema de recirculación” y al mismo tiempo sirven como fuente de ingresos cuando venden las algas por consumo humano seguro. [21]
Se utilizan muchos diseños, con diferentes beneficios e inconvenientes, sin embargo la función es la misma: reducir los intercambios de agua al convertir el amoníaco en nitrato . El amoníaco (NH 4 + y NH 3 ) 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 N-amoniaco es altamente tóxico, se convierte en una forma de nitrito menos tóxica (por Nitrosomonas sp.) y luego en una forma de nitrato aún menos tóxica (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 .