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 utilización de la oxidación biológica para eliminar compuestos orgánicos volátiles, olores e hidrocarburos.
Algunos 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 compacto y el contaminante se transfiere a una biopelícula delgada en la superficie del material de relleno. Los microorganismos , incluidas las bacterias y los hongos, se inmovilizan 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 de recirculación.
La tecnología encuentra la mayor aplicación en el tratamiento de compuestos malolientes y compuestos orgánicos volátiles (VOC). Las industrias que emplean la tecnología incluyen alimentos y productos animales, gases de escape 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 son típicamente VOC mixtos y varios compuestos de azufre , incluido el sulfuro de hidrógeno . Se pueden tratar flujos de aire muy grandes y, aunque generalmente se ha requerido un área grande (huella) -un biofiltro grande (>200,000 acfm ) puede ocupar tanto o más tierra 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 reducciones significativas de la 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. El aire normalmente se humidifica antes de entrar en el lecho con un sistema de riego (pulverización), una cámara de humidificación, un depurador biológico o un filtro percolador biológico. Si se mantiene adecuadamente, un medio de relleno orgánico natural como turba, mantillo vegetal, corteza o virutas de madera puede durar varios años, pero los materiales de relleno diseñados, combinados con componentes sintéticos y orgánicos naturales generalmente durarán mucho más, hasta 10 años. Varias empresas ofrecen este tipo de materiales de relleno patentados y garantías de varios años, que normalmente no se ofrecen con un biofiltro de lecho de abono o virutas de madera convencional.
Aunque se emplean ampliamente, la comunidad científica aún no está segura de los fenómenos físicos que sustentan el funcionamiento de los biofiltros, y se sigue 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 en un período de tiempo moderado (aumento del tiempo de residencia = aumento del tamaño y costos de capital), en concentraciones razonables (y tasas de carga de lb/h) y que la corriente de aire esté a una temperatura viable para los organismos. 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 produce CO2 y NOx adicionales a partir de la quema de combustibles) y los productos de degradación forman biomasa adicional, dióxido de carbono y agua. El agua de riego de los 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 plantas de tratamiento de propiedad pública municipal sin ningún tratamiento previo.
En la planta de tableros de fibra de Plum Creek Timber Company, en Columbia Falls (Montana) , se están utilizando biofiltros . [3] Los biofiltros reducen la contaminación emitida por el proceso de fabricación y los gases de escape emitidos son 98 % limpios. La nueva y más grande incorporación de biofiltros a Plum Creek costó 9,5 millones de dólares, pero, 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).
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 para beber 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 el reemplazo de agua y al mismo tiempo aumentar la calidad del agua .
Un biofiltro es un lecho de medios en el que los microorganismos se adhieren y crecen para formar una capa biológica llamada biopelícula . Por lo tanto, la biofiltración generalmente se conoce como un proceso de película fija. Generalmente, la biopelícula está formada 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 cualquier compuesto suspendido se transfiere a una biopelícula superficial donde los microorganismos se mantienen para degradar los contaminantes . El aspecto de la biopelícula [6] suele ser viscoso y fangoso.
El agua a tratar puede aplicarse de forma intermitente o continua sobre el medio, mediante flujo ascendente o descendente. Normalmente, un biofiltro tiene dos o tres fases, según la estrategia de alimentación (biofiltro percolador o sumergido):
La materia orgánica y otros componentes del agua se difunden hacia el biofilm donde se produce el tratamiento, principalmente por biodegradación . Los procesos de biofiltración suelen ser aeróbicos , lo que significa que los microorganismos requieren oxígeno para su metabolismo. El oxígeno puede suministrarse al biofilm, ya sea de forma concurrente o contracorriente con el flujo de agua. La aireación se produce de forma pasiva por el flujo natural de aire a través del proceso (biofiltro trifásico) o por aire forzado suministrado por sopladores.
La actividad de los microorganismos es un factor clave en el rendimiento 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 de los medios filtrantes de un biofiltro pueden ser por transporte, adhesión inicial, fijación firme y colonización [Van Loosdrecht et al., 1990]. El transporte de microorganismos a la superficie de los medios filtrantes está controlado además por cuatro procesos principales de difusión (movimiento browniano), convección, sedimentación y movilidad activa de los microorganismos. El proceso de filtración general consiste en la adhesión de microorganismos, la utilización del sustrato que provoca el crecimiento de biomasa y el desprendimiento de 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, es decir, el proceso tiene la capacidad de mantener su desempeño o retornar rápidamente a los niveles iniciales luego de un periodo 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 adversas 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 la biomasa conducen a una acumulación de materia en el medio filtrante, 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 utilizando métodos físicos y/o químicos. Se pueden implementar pasos de retrolavado utilizando aire y/o agua para interrumpir la biocapa 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 (procesos de crecimiento suspendido y crecimiento adherido), así como largos tiempos de retención hidráulica (laguna anaeróbica y reactor anaeróbico con deflectores). [11]
En el caso del agua potable, el tratamiento biológico del agua implica el uso de microorganismos que se encuentran de forma natural en las aguas superficiales para mejorar la calidad del agua. En condiciones óptimas, que incluyen una turbidez relativamente baja y un alto contenido de oxígeno, los organismos descomponen el material presente en el agua y, por lo tanto, mejoran la calidad del agua. Se utilizan filtros lentos de arena o filtros de carbón para proporcionar un soporte sobre el que estos microorganismos crezcan. Estos sistemas de tratamiento biológico reducen eficazmente las enfermedades transmitidas por el agua, el carbono orgánico disuelto, la turbidez y el color en las aguas superficiales, mejorando así la calidad general del agua.
En el tratamiento de agua potable, por lo general, se utilizan filtros de arena o carbón activado granular para evitar el recrecimiento de microorganismos en las tuberías de distribución de agua al reducir los niveles de hierro y nitrato que actúan como nutrientes microbianos. El carbón activado granular 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, lo que evita que las 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 en el 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 presentes en el agua. Entre estas técnicas se encuentran la qPCR (reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa), el ensayo de ATP, la metagenómica y la citometría de flujo. [12]
La biofiltración se utiliza para tratar aguas residuales de una amplia gama de fuentes, con composiciones y concentraciones orgánicas variables. 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 de productos lácteos, [15] aguas residuales domésticas . [16]
Este proceso es versátil ya que se puede adaptar a pequeños caudales (< 1 m3/d), como las aguas residuales in situ [17], así como a los caudales generados por un municipio (> 240 000 m3/d). [18] Para la producción descentralizada de aguas residuales domésticas, como las de 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 depurador biológico y se “depura” con líquido de lodo activado de un tanque de aireación. [20] El proceso de filtrado percolador (TF) más común en el tratamiento de aguas residuales es el proceso de filtrado percolador (TF) [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, demanda química de oxígeno y 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 cerrados de acuicultura , como los sistemas de recirculación acuícola (RAS). Las técnicas de biofiltración utilizadas en 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 se utilizan generalmente en conjunto con uno de los otros métodos. [21] 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", al mismo tiempo que sirven como fuente de ingresos cuando venden las algas marinas para el consumo humano seguro. [22]
Se utilizan muchos diseños, con diferentes ventajas e inconvenientes, pero la función es la misma: reducir los intercambios de agua mediante la conversión de amoniaco en nitrato . El amoniaco (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 amoniaco-N es altamente tóxico, este se convierte en una forma menos tóxica de nitrito (por Nitrosomonas sp.) y luego en una forma aún menos tóxica de nitrato (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 .