ES2409156B1 - Biofiltro que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico y sus aplicaciones. - Google Patents

Abstract

Biofiltro que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico y sus aplicaciones.#La presente invención se refiere a un biofiltro que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico como material de relleno y microorganismos capaces de degradar una o más sustancias contaminantes tales como compuestos orgánicos volátiles (COVs), disulfuro de hidrógeno (H{sub,2}S), sulfuro de carbono (CS{sub,2}), y cualquier combinación de los mismos. La invención también se refiere a un método para depurar una corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable mediante biofiltración que comprende hacer pasar dicha corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a través de dicho biofiltro.

Description

Biofiltro que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico y sus aplicaciones

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se relaciona, en general, con la depuración de gases contaminados con contaminantes gaseosos biodegradables. En particular, la invención se relaciona con un biofiltro que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico como material de relleno, para eliminar o reducir el contenido en contaminantes gaseosos biodegradables presentes en una corriente gaseosa contaminada que contiene al menos uno de dichos contaminantes, así como con un método de biofiltración que comprende el empleo de dicho biofiltro.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La emisión cada vez mayor de contaminantes al medio ambiente y el consecuente deterioro de éste, ha llevado a un control legal sobre la emisión de los mismos. Existen infinidad de gases que se liberan a la atmósfera y que pueden ser calificados como contaminantes; tales como, por ejemplo, sulfuro de hidrógeno, disulfuro de carbono, compuestos orgánicos volátiles, amoníaco etc.

El sulfuro de hidrógeno (H2S) es extremadamente nocivo para la salud, bastan 20-50 ppm en el aire para causar un malestar agudo que lleva a la sofocación y puede llevar a la muerte por sobreexposición.

El disulfuro de carbono (CS2) constituye un contaminante altamente peligroso debido principalmente a sus efectos perjudiciales sobre la salud humana. La exposición prolongada a vapores de CS2 provoca síntomas de intoxicación que van desde el enrojecimiento de la cara y la euforia hasta la pérdida del conocimiento, coma y parálisis de la respiración. La intoxicación crónica produce dolor de cabeza, pérdida de sueño, disfunciones de la visión, la memoria y el oído, inflamación de los nervios y daños vasculares.

Los compuestos orgánicos volátiles (COVs) constituyen un tipo de contaminantes altamente peligrosos. La Agencia Americana de Protección Medioambiental (US EPA) define los COVs como todo compuesto orgánico que tenga una presión de vapor superior a 0,1 mm Hg en condiciones estándar (25ºC y 760 mm Hg). Así, bajo esta definición, los COVs engloban una amplia gama de compuestos químicos, entre los que se incluyen hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos clorados, aldehídos, cetonas, éteres, ácidos y alcoholes, muchos de los cuales pueden tener efectos adversos para la salud humana o animal, así como sobre el medio ambiente en general, a corto o largo plazo. Asimismo, los COVs han sido identificados como una de las fuentes principales en la formación del “smog” fotoquímico al reaccionar con otros contaminantes atmosféricos (por ejemplo, óxidos de nitrógeno) y con la luz solar, pudiendo causar problemas respiratorios, irritación ocular, dolor de cabeza, etc., y daños a la flora y la vida animal.

Por ello, ha sido necesario desarrollar procesos destinados a controlar la emisión de este tipo de contaminantes al medio ambiente. La mayoría de dichos procesos se basan en principios físico-químicos. No obstante, dichos procesos presentan diversos inconvenientes ya que generalmente requieren diversos equipos para la separación y eliminación completa del contaminante, lo que los hace costosos y con grandes exigencias de energía, y, en ocasiones, resultan ineficientes, particularmente cuando el contaminante se encuentra en bajas concentraciones y grandes caudales. Por ello, ninguna de las tecnologías físico-químicas tradicionales (oxidación térmica, procesos termocatalíticos, incineración, hidrogenación, hidrólisis, condensación, adsorción, etc.) representa en la actualidad una opción apropiada para el tratamiento de dichos contaminantes (H2S, CS2 y/o COVs).

A lo largo de los últimos años, las tecnologías biológicas de depuración de corrientes gaseosas contaminadas han tomado fuerza como alternativa a las tecnologías físico-químicas, ya que son procesos más limpios y económicos, eliminan muchas de las desventajas asociadas con los sistemas físico-químicos tradicionales, por ejemplo, generación de nuevos residuos, etc., y resultan especialmente útiles cuando los caudales a tratar son grandes y las concentraciones de contaminantes (e.g., H2S, CS2 y/o COVs) son bajas. El fundamento de todos los procesos biológicos se basa en la capacidad que tienen algunos microorganismos para degradar los contaminantes y transformarlos en productos inocuos o menos nocivos para la salud humana o animal y/o el medio ambiente. Las tecnologías biológicas se fundamentan en una serie de reacciones metabólicas microbiológicas que conducen a la degradación de los contaminantes presentes en la corriente gaseosa. A través de reacciones oxidativas y, en menor lugar, reductivas, los contaminantes pueden ser transformados en subproductos como por ejemplo CO2, vapor de agua, nitratos, sulfatos y nueva biomasa, entre otros productos.

Aunque existe un gran número de diferentes configuraciones, los sistemas biológicos de purificación de corrientes gaseosas más utilizados pueden clasificarse en tres grandes grupos: biolavadores (“bioscrubber”), bioreactores de lecho escurrido (“biotrickling filter”) y biofiltros de lecho fijo (“biofilter”) [Delhomenie, MC. et al. 2005. Biofiltration of Air: A Review. Critical Reviews in Biotechnology, 25:53–72]. Los mecanismos básicos de eliminación del contaminante son similares en todos los casos, difiriendo unos de otros en la presencia o ausencia de un soporte, la naturaleza del soporte utilizado, la presencia o ausencia de una fase liquida móvil, y/o la capacidad de tratar diferentes contaminantes.

En concreto, los biofiltros convencionales de lecho fijo emplean microorganismos que están adheridos fijos en un medio poroso para degradar los contaminantes presentes en una corriente gaseosa que atraviesa el lecho. Dichos microorganismos crecen en una biopelícula soportada sobre la superficie del medio. Al pasar el gas a través del lecho, los contaminantes de la fase gaseosa se absorben en la biopelícula que rodea al medio, donde son biodegradados. Por tanto, los biofiltros básicamente consisten en un compartimento que contiene un material de relleno o soporte (material filtrante) que sirve como portador de la biomasa responsable de la biodegradación de los contaminantes. A pesar de su nombre, no son unidades de “filtración” en el sentido estricto de la palabra, sino que abarcan una combinación de varios procesos básicos: absorción, adsorción, biodegradación y desorción. La ausencia de una fase acuosa móvil hace que estos bioreactores sean ideales para el tratamiento de contaminantes muy poco solubles en agua.

La selección del material de soporte es un factor fundamental para el correcto funcionamiento de los biofiltros convencionales, ya que influye tanto en la capacidad de eliminación del contaminante (actividad microbiana) como en el coste final del sistema de biofiltración (frecuencia de sustitución del soporte agotado y su gestión posterior, pérdidas de carga asociadas a la compactación del lecho, etc.). Igualmente, al desarrollarse sobre su superficie la biomasa responsable de la degradación de los contaminantes, deben tenerse en cuenta ciertas características fisico-químicas importantes: alta área superficial específica, alta porosidad, baja densidad aparente, alta capacidad de retención de agua y disponibilidad de nutrientes esenciales para un correcto desarrollo del metabolismo microbiano.

Se conocen numerosos microorganismos capaces de degradar H2S pertenecientes a los géneros Acidthiobacillus (e.g., A. thiooxidans strain AZ11, etc.), Beggiatoa, Macromonas, Pseudomonas (e.g., P. acidovorans strain DMR-11; P. putida strain CH11, etc.), Sulfolobus (e.g., S. Metallicus, etc.), Thiobacterium, Thiobacillus (e.g., T. sp., T. denitrificans; T. novellus strain CH3; T. thioparus strain CH11, T. thioparus strain DW44, etc.), Thiomicrospira, Thiomonas, Thiospira, Thiosphaera, etc.

Entre los microorganismos capaces de degradar el CS2 se encuentran microorganismos del género Paracoccus (P. denitrificans, etc.), Thioalkalimicrobium (e.g., T. aerophilum, T. sibericum, etc.), Thioalkalivibrio (e.g.,

T. versutus, T. nitratis, T. denitrificans, etc.), Thiobacillus (e.g., Thiobacillus strain TJ330; T. thioparus strain TK-m; T. sp. strain DSM 8985, etc.), Thiomonas, Thiothrix (e.g., T. ramose, etc.), etc.

Por otra parte, es conocido el tratamiento de corrientes gaseosas contaminadas con COVs mediante biofiltros rellenos con diversos tipos de soporte. A modo ilustrativo, Dorado y col. [A comparative study based on physical characteristics of suitable packing materials in biofiltration. Environ. Technol. 31(2)(2010):193-204] comparan diez materiales comúnmente usados como soporte en biofiltración, tanto de naturaleza orgánica (por ejemplo, fibra de coco, hojas de pino, compost, etc.) como inorgánica o sintéticos (por ejemplo, espuma de poliuretano, lignita, roca de lava, etc.). Entre otras características, se evalúa su capacidad para adsorber tolueno de una corriente gaseosa. No obstante, a pesar de los distintos tipos de material de relleno conocidos, resulta conveniente disponer de una mayor gama de tales materiales de relleno con el fin de disponer de más recursos a la hora de seleccionar el material más apropiado en función de las características particulares de la depuración (contaminantes presentes, concentración, etc.).

Por otro lado, Chou y col. [Treatment of 1,3-butadiene in an air stream by a biotrickling filter and a biofilter. J. Air & Waste Manage. Assoc. 48 (1998):711-720; Treatment of styrene-contaminated airstream in biotrickling filter packed with slags. J. Environ. Eng. 124 (9) (1998):844-850; Treatment of toluene in an air stream by a biotrickling filter packed with slags. J. Air & Waste Manage. Assoc. 49 (1999): 386-398] han empleado escorias de alto horno como lecho de un filtro biopercolador a escala de laboratorio para el tratamiento independiente de diversos contaminantes: tolueno [rendimiento superior al 90% para cargas de entrada de contaminante superiores a 30 g m-3

h-1

y 3 minutos de tiempo de residencia], estireno [rendimiento superior al 95% para cargas de entrada de contaminante inferiores a 30 g m-3 h-1 y 1,07 minutos de tiempo de residencia] ó 1,3-butadieno [capacidad de eliminación inferior a 5 g m-3 h-1 para cargas de entrada de contaminante menores a 25 g m-3 h-1 y tiempos de residencia entorno 1,89-5,04 minutos]. Una desventaja asociada con estos sistemas es que precisan de una gestión adecuada del medio líquido que se recircula continuamente a través del material de relleno. Adicionalmente, muchos autores han demostrado que los bioreactores de filtro escurrido o “filtros biotrickling” dan lugar a una acumulación excesiva de biomasa, lo que conduce a una pérdida de eficacia en la filtración. Asimismo, la conjunción de costes operacionales relativamente elevados y restricciones en cuanto a la solubilidad de los COVs suponen un claro inconveniente en comparación con los biofiltros.

Por tanto, sigue existiendo la necesidad de encontrar métodos alternativos para tratar corrientes gaseosas contaminadas con contaminantes gaseosos biodegradables, or ejemplo, COVs, H2S, CS2, etc., sencillos y fiables, que, preferentemente, resuelvan al menos alguno de los problemas de los métodos de biofiltración de corrientes gaseosas contaminadas con dichos contaminantes descritos en el estado de la técnica.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN

Los autores de la presente invención han desarrollado un método de biofiltración sobre lecho fijo para depurar (es decir, eliminar o reducir) de manera eficiente la cantidad de contaminantes gaseosos biodegradables presentes en una corriente gaseosa contaminada con al menos uno de dichos contaminantes; ejemplos ilustrativos, no limitativos de dichos contaminantes gaseosos biodegradables incluyen COVs, H2S, y CS2. Dicho método se basa en la utilización de escoria negra de horno de arco eléctrico o EAFS [del inglés, “Electric Arc Furnace Slag”] como material de relleno del biofiltro, y en el empleo de microorganismos capaces de degradar dichos contaminantes, y proporciona diversas ventajas frente a los métodos tradicionales y frente a otros métodos biológicos descritos en el estado de la técnica, debido principalmente a sus características físico-químicas que permiten una operación en continuo durante largos periodos de tiempo sin sufrir erosión y/o deterioro. Tras una etapa previa de inoculación con microorganismos capaces de degradar el contaminante o contaminantes, este residuo (EAFS) sirve adecuadamente como soporte a los mismos, los cuales forman una biopelícula de microorganismos a su alrededor, posibilitando así la depuración de la corriente gaseosa contaminada.

Así, en un aspecto, la invención se relaciona con un biofiltro que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) como material de relleno (“biofiltro de la invención”). Para su puesta en operación, dicho biofiltro comprende, además, microorganismos capaces de degradar el contaminante gaseoso biodegradable que se desea eliminar, por ejemplo, uno o más COVs, H2S, CS2, etc. Dichos microorganismos se inoculan en el material de relleno (EAFS) del biofiltro.

En otro aspecto, la invención se relaciona con una instalación para la depuración de corrientes gaseosas contaminadas con al menos un contaminante gaseoso biodegradable que comprende, al menos, un biofiltro de la invención.

En otro aspecto, la invención se relaciona con un método para depurar una corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable, mediante biofiltración, que comprende hacer pasar dicha corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a través de un biofiltro de la invención que comprende, además, microorganismos capaces de degradar dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s).

En otro aspecto la invención se relaciona con el uso de escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) como material de relleno en un biofiltro de lecho fijo para la depuración de corrientes gaseosas, en particular, corrientes gaseosas contaminadas con al menos un contaminante gaseoso biodegradable.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1 representa una realización particular de un sistema de aclimatación en continuo para la obtención de inóculo para el arranque de un biofiltro de la invención.

La Figura 2 es una representación esquemática de una realización particular de una instalación adecuada para la puesta en práctica de un método de biofiltración de contaminantes gaseosos biodegradables, por ejemplo, COVs, según la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Biofiltro de la invención

En un aspecto, la invención se relaciona con un biofiltro de lecho fijo, en adelante “biofiltro de la invención”, que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) como material de relleno. El biofiltro de la invención puede ser utilizado para depurar gases contaminados que contienen, al menos, un contaminante gaseoso biodegradable (e.g., un compuesto químico que puede ser descompuesto por acción de agentes biológicos), por ejemplo, un compuesto orgánico volátil (COV), disulfuro de hidrógeno (H2S), sulfuro de carbono (CS2), etc. En una realización particular, el biofiltro de la invención se utiliza para depurar gases contaminados con uno o más COVs, H2S y/o CS2, mediante biofiltración, es decir, para eliminar o reducir la cantidad de COVs, H2S y/o CS2, presente en una corriente gaseosa que contiene COVs, H2S y/o CS2. En otra realización particular y preferida, el biofiltro de la invención se utiliza para depurar, mediante biofiltración, gases contaminados con uno o más COVs.

El material de relleno (soporte) contenido en el biofiltro de la invención, escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS), es un residuo de la industria siderúrgica considerado legalmente como un residuo inerte [Boletín Oficial del País Vasco (BOPV), 1994; No 239, Decreto 423/1994] y se obtiene como subproducto no deseado durante la fabricación de acero a partir de chatarra de hierro y/o acero como materia prima en hornos de arco eléctrico. Las producciones de acero, a nivel mundial y europeo, en el año 2008 fueron de 1.327 y 198 millones de toneladas (mt), respectivamente, mientras que la producción española en el año 2009 fue de 14,4 mt. Esta fabricación de acero genera una gran cantidad de residuos industriales que representan entre el 15% y 20% de la producción total de acero [150-200 kg de escoria por cada tonelada producida de acero], siendo la escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) el subproducto industrial cuantitativamente más importante en la fabricación de

aceros comunes. Debido a la alta generación y acumulación en depósitos al aire libre de estas escorias negras (EAFS), se ha autorizado su uso como producto final en carreteras y vías públicas o privadas de tráfico rodado como una de las capas estructurales, como materia prima en la fabricación de cemento y como árido para el hormigón estructural. Ahora se ha encontrado que también puede ser utilizado como material de relleno en biofiltros destinados a la depuración, mediante biofiltración, de corrientes gaseosas contaminadas con al menos un contaminante gaseoso biodegradable, por lo que la presente invención contribuye a resolver, además, el problema generado por el exceso de estas escorias (EAFS), proponiendo una aplicación novedosa para ese residuo.

Mineralógicamente, la escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) comprende principalmente silicatos de calcio, ferritas y óxidos metálicos. En general, las principales fases mineralógicas presentes son el silicato dicálcico (lamita, �-Ca2SiO4), la ferrita dicálcica (2CaO·Fe2O3) y la wustita (óxido de hierro (II), FeO). Además de estas fases mineralógicas también pueden estar presentes minerales comunes, tales como olivino (Mg2SiO4), mervinita (Ca2Mg(SiO4)2), silicato tricalcico (3CaO·SiO2), millerita marrón (NiS), etc., así como diversos óxidos, por ejemplo, óxido de calcio (CaO) libre, óxido de magnesio (MgO) libre, sílice (SiO2), óxido ferroso (FeO), óxido de aluminio o alúmina (Al2O3), óxido de manganeso (MnO), pentóxido de fórforo (P2O5), etc. En una realización particular, dicha EAFS comprende CaO (35-60%), SiO2 (9-20%), FeO (15-30%), MgO (5-15%), Al2O3 (2-9%), MnO (3-10%) y P2O5 (0,1-2%), donde los % son porcentajes en peso respecto al total. No obstante, el experto en la materia entenderá que la composición química de la EAFS que puede ser utilizada en el biofiltro de la invención puede variar dependiendo de los materiales de partida utilizados en la producción de acero, el tipo de acero fabricado, las condiciones del horno, el sistema de enfriamiento, etc.

Las escorias negras de horno de arco eléctrico (EAFSs) se han utilizado habitualmente como áridos para la construcción de carreteras, como materia prima en el proceso de elaboración de cemento, como relleno en pistas forestales, y, actualmente, se utilizan en el hormigón estructural para construcción con un 80% del árido siderúrgico.

Por tanto, la utilización de la EAFS como material de relleno o soporte de biofiltros de lecho fijo para el tratamiento de corrientes gaseosas contaminadas, que contienen al menos un contaminante gaseoso biodegradable, por ejemplo, COVs, H2S, CS2, etc., supone una aplicación novedosa para ese residuo de la industria siderúrgica. Dicha EAFS, además, puede ser utilizada tal como se produce, es decir, sin necesidad de tener que realizar ningún acondicionamiento previo salvo un tamizado previo de las partículas de EAFS para utilizar la fracción de tamaño adecuado/deseado.

El empleo de EAFS en biofiltros de lecho fijo, para depurar corrientes gaseosas contaminadas mediante biofiltración presenta numerosas ventajas, entre las que merece la pena destacar su estabilidad frente a largos periodo de operación en régimen continuo, su carácter inerte frente a las distintas corrientes gaseosas a tratar, su capacidad de regulación del pH debido a su composición química, en particular, a su contenido en CaO, su mínimo coste y su gran disponibilidad. Además, su utilización contribuye a la revalorización de un residuo muy abundante.

El tamaño de las partículas de la EAFS puede variar dentro de un amplio intervalo; no obstante, en una realización particular, al menos el 50%, típicamente al menos el 60%, ventajosamente al menos el 70%, preferentemente al menos el 80%, más preferentemente al menos el 90%, aún más preferentemente al menos el 95%, y todavía más preferentemente, el 96%, 97%, 98% 99% o 100% de las partículas de EAFS tienen un diámetro medio igual o inferior a 20 mm, típicamente igual o inferior a 10 mm, habitualmente comprendido entre aproximadamente 4 mm y aproximadamente 7 mm, preferentemente entre aproximadamente 5 mm y aproximadamente 6,5 mm.

Tal como se ha mencionado anteriormente, la puesta en práctica del método de biofiltración proporcionado por esta invención requiere la inoculación de las EAFS con microorganismos capaces de degradar el contaminante o contaminantes biodegradables que se desea(n) eliminar. El término “microorganismo”, tal como aquí se utiliza incluye bacterias, hongos, levaduras, protozoos, etc. Se conocen numerosos microorganismos capaces de degradar contaminantes biodegradables eventualmente presentes en corrientes gaseosas, por ejemplo, COVs, H2S, CS2, etc.

En una realización particular, el contaminante gaseoso biodegradable presente en la corriente gaseosa es un COV. En el sentido utilizado en esta descripción un “compuesto orgánico volátil” o “COV”, de acuerdo con la definición de la US EPA, es un compuesto orgánico que tiene una presión de vapor superior a 0,1 mm Hg en condiciones estándar (25ºC y 760 mm Hg), y engloba una amplia gama de compuestos químicos, entre los que se incluyen hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos clorados, aldehídos, cetonas, éteres, ácidos y alcoholes, muchos de los cuales pueden tener efectos adversos para la salud humana o animal, así como sobre el medio ambiente en general, a corto o largo plazo. Ejemplos ilustrativos, no limitativos, de COVs incluyen benceno, clorobenceno, etilbenceno, tolueno, estireno, xileno, pentano, etileno, etanol, fenol, butilacetato, etilacetato, diclorometano, dimetilsulfuro, etc. Cuando el contaminante gaseoso biodegradable presente en la corriente gaseosa es un COV, el biofiltro de la invención comprende un microorganismo capaz de degradar COVs. En el sentido utilizado en la presente invención, un “microorganismo capaz de degradar COVs” es un microorganismo que presenta la capacidad de utilizar un COV como fuente de energía y transformarlo en un producto inocuo o menos nocivo para la salud humana o animal y/o para el medio ambiente. Dicho microorganismo puede ser una bacteria, un hongo, una levadura, un protozoo, etc. Ejemplos ilustrativos, no limitativos, de microorganismos capaces de

degradar COVs incluyen hongos y levaduras de los géneros Exophiala, Scedosporium, Paecilomyces, Cladosporium, Cladophialophora, Fusarium o Phanerochaete Chrysosporium (García-Peña et al., 2009. Dynamic numerical reconstruction of a fungal biofiltration system using differential neural network. J. Process Control. 19, 1103-1110; Zhao et al., 2010. Isolation and identification of black yeasts by enrichment on atmospheres of monoaromatic hydrocarbons. Microb. Ecol. 60, 149-156), bacterias de los géneros Acinetobacter, Alcaligenes (e.g.,

A. xylosoxidans strain Y234, etc.), Bacillus (e.g., B. sphaericus, etc.), Burkholderia (e.g., B. vietnamiensis strain G4, etc.), Corynebacterium, Hyphomicrobium, Pseudomonas (e.g., P. aeruginosa; P. putida strain F1; etc.), Rhodococcus (e.g., R. fascians, R. pyridinovoran, R. rhodochrous, etc.), o Xanthobacter (Malhautier et al., 2005. Biofiltration of volatile organic compounds, Appl. Microbiol. Biotechnol. 68, 16 – 22), etc.

Ejemplos adicionales de microorganismos capaces de degradar COVs, y, por tanto, útiles en el contexto de la presente invención, incluyen los microrganismos mencionados por Delhomenie y col. [Delhomenie et al., 2005. Biofiltration of Air: A Review. Critical Reviews in Biotechnology, 25:53–72 (véase la Tabla 3)]. En una realización particular, el biofiltro de la invención contiene microorganismos capaces de degradar COVs pertenecientes a un único género o a una única especie de microorganismos capaces de degradar COVs; alternativamente, en otra realización particular, el biofiltro de la invención contiene microorganismos capaces de degradar COVs pertenecientes a distintos géneros y/o especies de microorganismos; en una realización particular, dichos microorganismos forman un consorcio de microorganismos.

En otra realización particular, el contaminante gaseoso biodegradable presente en la corriente gaseosa es H2S; en ese caso, el biofiltro de la invención comprende un microorganismo capaz de degradar H2S. En el sentido utilizado en la presente invención, un “microorganismo capaz de degradar H2S” es un microorganismo que presenta la capacidad de utilizar H2S como fuente de energía y transformarlo en un producto inocuo o menos nocivo para la salud humana o animal y/o para el medio ambiente. Dicho microorganismo puede ser una bacteria, un hongo, una levadura, un protozoo, etc. Ejemplos ilustrativos, no limitativos, de microorganismos capaces de degradar H2S incluyen microorganismos de los géneros Acidthiobacillus (e.g., A. thiooxidans strain AZ11, etc.), Beggiatoa, Macromonas, Pseudomonas (e.g., P. acidovorans strain DMR-11; P. putida strain CH11, etc.), Sulfolobus (e.g., S. Metallicus, etc.), Thiobacterium, Thiobacillus (e.g., T. sp., T. denitrificans; T. novellus strain CH3; T. thioparus strain CH11, T. thioparus strain DW44, etc.), Thiomicrospira, Thiomonas, Thiospira, Thiosphaera, etc. (Omri et al., 2011. H2S gas biological removal efficiency and bacterial community diversity in biofilter treating wastewater odor. Bioresour. Technol. 102, 10202 – 10209; Aroca et al., 2007. Comparison on the removal of hydrogen sulfide in biotrickling filters inoculated with Thiobacillus thioparus and Acidithiobacillus thiooxidans. EJB. 10 (4), 514 – 520).

En una realización particular, el biofiltro de la invención contiene microorganismos capaces de degradar H2S pertenecientes a un único género o a una única especie de microorganismos capaces de degradar H2S; alternativamente, en otra realización particular, el biofiltro de la invención contiene microorganismos capaces de degradar H2S pertenecientes a distintos géneros y/o especies de microorganismos; en una realización particular, dichos microorganismos forman un consorcio de microorganismos.

En otra realización particular, el contaminante gaseoso biodegradable presente en la corriente gaseosa es CS2; en ese caso, el biofiltro de la invención comprende un microorganismo capaz de degradar CS2. En el sentido utilizado en la presente invención, un “microorganismo capaz de degradar CS2” es un microorganismo que presenta la capacidad de utilizar CS2 como fuente de energía y transformarlo en un producto inocuo o menos nocivo para la salud humana o animal y/o para el medio ambiente. Dicho microorganismo puede ser una bacteria, un hongo, una levadura, un protozoo, etc. Ejemplos ilustrativos, no limitativos, de microorganismos capaces de degradar CS2 incluyen microorganismos de los géneros Paracoccus (P. denitrificans, etc.), Thioalkalimicrobium (e.g., T. aerophilum, T. sibericum, etc.), Thioalkalivibrio (e.g., T. versutus, T. nitratis, T. denitrificans, etc.), Thiobacillus (e.g., Thiobacillus strain TJ330; T. thioparus strain TK-m; T. sp. strain DSM 8985, etc.), Thiomonas, Thiothrix (e.g., T. ramose, etc.), etc. (Pol et al., 2007. Isolation of a carbon disulfide utilizing Thiomonas sp. and its application in a biotrickling filter. Appl. Microbiol. Biotechnol. 74, 439 – 446).

En una realización particular, el biofiltro de la invención contiene microorganismos capaces de degradar CS2 pertenecientes a un único género o a una única especie de microorganismos capaces de degradar CS2; alternativamente, en otra realización particular, el biofiltro de la invención contiene microorganismos capaces de degradar CS2 pertenecientes a distintos géneros y/o especies de microorganismos; en una realización particular, dichos microorganismos forman un consorcio de microorganismos.

El experto en la materia entenderá que los microorganismos a inocular en el material de relleno del biofiltro de la invención serán elegidos en función del contaminante biodegradable presente en la corriente gaseosa a depurar. Dichos microorganismos tendrán la capacidad potencial para degradar dichos contaminantes biodegradables.

Algunos de dichos microorganismos capaces de degradar contaminantes biodegradables útiles para la puesta en práctica de la presente invención se encuentran disponibles comercialmente o en colecciones de cultivos. Asimismo, el experto en la materia puede encontrar e identificar, por métodos convencionales, otros

microorganismos capaces de degradar dichos contaminantes biodegradables a partir de diversas fuentes. Efectivamente, el experto en la materia reconoce que pueden vivir microorganismos que toleran el contaminante biodegradable en cuestión (e.g., COVs, H2S, CS2, etc.) en muestras procedentes de sitios contaminados con dicho contaminante, por ejemplo, áreas o instalaciones en donde se usan o generan corrientes gaseosas que contienen dichos contaminantes biodegradables, suelos contaminados con dichos contaminantes, lodos activados, compostaje, etc.; por tanto, mediante una selección de los cultivos de los microorganismos presentes en dichas muestras y/o un periodo de aclimatación al contaminante es posible encontrar cepas de microorganismos capaces de degradar el contaminante biodegradable en cuestión.

La capacidad de un microorganismo de degradar un contaminante biodegradable, por ejemplo, COVs, H2S, CS2, etc., puede determinarse por cualquier procedimiento convencional, conocido por los técnicos en la materia, que permita conocer si un microorganismo utiliza dicho contaminante biodegradable, por ejemplo, poniendo en contacto un cultivo de dicho microorganismo con dicho contaminante biodegradable (e.g., uno o más COVs, H2S, CS2, etc.) e incubando bajo condiciones apropiadas para el desarrollo y crecimiento del microorganismo en cuestión; bajo esas condiciones, la disminución de la cantidad de dicho contaminante biodegradable (e.g., uno o más COVs, H2S, CS2, etc.) es indicativa de que el microorganismo analizado es capaz de degradar dicho contaminante biodegradable. La cantidad de contaminante biodegradable puede ser determinada por métodos convencionales, por ejemplo, mediante cromatografía (e.g., cromatografía de gases, etc.). Si se desea, el microorganismo puede encontrarse soportado sobre un material de relleno del tipo utilizado en el biofiltro de la invención (EAFS) y el contaminante biodegradable puede estar contenido en una corriente de aire, preferentemente saturada en vapor de agua en agua antes de ponerla en contacto con el microorganismo.

Estructuralmente, el biofiltro de la invención comprende un depósito, en el que se encuentra el material de relleno y los microorganismos capaces de degradar el contaminante o contaminantes biodegradable(s) (e.g., uno o más COVs, H2S, CS2, etc.) así como unos medios para la entrada de la corriente de gaseosa que contiene dicho contaminante o contaminantes, adecuadamente saturada en vapor de agua previamente, y unos medios para la salida de la corriente gaseosa descargada total o parcialmente de dicho o dichos contaminantes biodegradables. El biofiltro está provisto también de manera preferente con medios de riego para aportar de manera periódica nutrientes a los microorganismos. Opcionalmente, si se desea, se pueden incluir dispositivos para medir la temperatura de entrada de la corriente gaseosa que contiene los contaminanbtes biodegradables a tratar ya que puede afectar al proceso metabólico de los microorganismos capaces de degradar a dichos contaminantes biodegradables, o para medir el pH ya que durante la operación del método de biofiltración proporcionado por esta invención se pueden generar productos ácidos que pueden afectar adversamente a la actividad del biofiltro. Adicionalmente, se pueden incluir medidores de pérdida de carga, ya que un exceso de biomasa puede llegar a colmatar e inutilizar el sistema de biofiltración. El biofiltro de la invención puede ser diseñado en diversas de formas y dimensiones, utilizando los materiales adecuados para ello.

La simplicidad estructural del biofiltro de la invención facilita el diseño de bioreactores que contienen uno o más biofiltros de la invención. Así, en una realización particular, la invención contempla el desarrollo de un bioreactor que comprende un único biofiltro de la invención, mientras que, en otra realización particular, la invención contempla el desarrollo de un bioreactor que comprende dos o más biofiltros de la invención, por ejemplo, 2, 3, 4 ó incluso más, operativamente conectados en serie, de manera que la corriente gaseosa de salida del primero de dichos biofiltros de la invención es introducida en el segundo de los biofiltros de la invención, y, de manera similar, la corriente gaseosa de salida de dicho segundo biofiltro de la invención es introducida en el tercero de los biofiltros de la invención, y así sucesivamente hasta la salida definitiva de la corriente gaseosa total o parcialmente descargada de contaminante biodegradable.

Método de biofiltración de la invención

El biofiltro de la invención puede ser utilizado para depurar gases contaminados con uno o más contaminantes biodegradables mediante biofiltración. Por tanto, en otro aspecto, la invención se relaciona con un método para depurar una corriente gaseosa que contiene, al menos, un contaminante gaseoso biodegradable mediante biofiltración, en adelante “método de biofiltración de la invención”, que comprende hacer pasar dicha corriente gaseosa que contiene, al menos, un contaminante gaseoso biodegradable a través de un biofiltro de la invención, es decir, un biofiltro que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) como material de relleno y microorganismos capaces de degradar dicho contaminante biodegradable.

En el sentido utilizado en esta descripción, la expresión “depurar una corriente gaseosa que contiene, al menos, un contaminante gaseoso biodegradable” incluye tanto la eliminación prácticamente total del contaminante (o contaminantes) gaseoso biodegradable presente en una corriente gaseosa que contiene dicho contaminante como la reducción de la cantidad de dicho contaminante (o contaminantes) gaseoso biodegradable presente en una corriente gaseosa que contiene dicho contaminante hasta niveles permitidos por la legislación o que no resulten nocivos para la salud humana o animal y/o para el medio ambiente.

El término “biodegradable”, tal como aquí se utiliza, se refiere a un compuesto químico que puede ser descompuesto por acción de agentes biológicos, por ejemplo, un microorganismo, etc. Por tanto, un “contaminante

gaseoso biodegradable” es un compuesto químico considerado como contaminante, en estado gaseoso, que puede ser descompuesto por acción de agentes biológicos, por ejemplo, un microorganismo. Ejemplos ilustrativos, no limitativos, de contaminantes gaseosos biodegradables incluyen compuestos orgánicos volátiles (COVs), disulfuro de hidrógeno (H2S), sulfuro de carbono (CS2), etc.

El método de biofiltración de la invención puede ser utilizado para depurar una corriente gaseosa contaminada con uno o más contaminantes gaseosos biodegradables. En una realización particular, el método de biofiltración de la invención se utiliza para depurar una corriente gaseosa contaminada con un único contaminante gaseoso biodegradable. En otra realización particular, el método de biofiltración de la invención se utiliza para depurar una corriente gaseosa contaminada con dos o más contaminantes gaseosos biodegradables.

Aunque prácticamente el método de biofiltración de la invención puede ser utilizado para depurar una corriente gaseosa contaminada con cualquier contaminante gaseoso biodegradable, es decir, con cualquier contaminante gaseoso que puede ser descompuesto por acción de un agente biológico, tal como un microorganismo capaz de degradar dicho contaminante gaseoso, en una realización particular, dicho contaminante gaseoso biodegradable se selecciona del grupo formado por COVs, H2S, CS2, y cualquier combinación de los mismos. Por tanto, en una realización particular, dicha corriente gaseosa contaminada a depurar comprende uno o más COVs. En otra realización particular, dicha corriente gaseosa contaminada a depurar comprende H2S. En otra realización particular, dicha corriente gaseosa contaminada a depurar comprende CS2. En otra realización particular, dicha corriente gaseosa contaminada a depurar comprende uno o más COVs, y un contaminante gaseoso biodegradable seleccionado entre H2S y CS2. En otra realización particular, dicha corriente gaseosa contaminada a depurar comprende, al menos, un contaminante gaseoso biodegradable seleccionado entre H2S y CS2, y, opcionalmente, uno o más COVs. En otra realización particular, dicha corriente gaseosa contaminada a depurar comprende uno o más COVs, H2S y CS2.

En una realización particular, el método de biofiltración de la invención comprende la realización de una etapa previa de inoculación de las EAFS (material de relleno del biofiltro de la invención) con microorganismos capaces de degradar el contaminante o contaminantes biodegradable(s) a tratar, con el objetivo de formar una biopelícula de dichos microorganismos sobre el material de relleno del biofiltro de la invención que posibilite la depuración de la corriente gaseosa contaminada a depurar. La inoculación de las EAFS se puede realizar directamente con microorganismos capaces de degradar el contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) estandarizados, o bien, con un inóculo obtenido preliminarmente mediante aclimatación de una determinada biomasa al contaminante o contaminantes a tratar. Dicha aclimatación puede realizarse en cualquier instalación apropiada, por ejemplo, en el propio biofiltro de la invención, o, alternativamente, en un laboratorio o en una planta piloto, utilizando un reactor de aclimatación continuo o discontinuo. En general, la aclimatación comprende poner en contacto una biomasa rica en microorganismos, como por ejemplo lodo biológico de una estación depuradora de agua residual (EDAR), con una corriente gaseosa que contiene el contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) a tratar, de tal modo que se desarrolle una población óptima de microorganismos capaces de degradar dicho(s) contaminante(s). La cantidad de contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) presente en dicha corriente gaseosa puede variar dentro de un amplio intervalo; no obstante, en la práctica se suele empezar utilizando una corriente gaseosa que contiene el contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) a tratar en una cantidad relativamente baja, generalmente igual o inferior a 100 partes por millón en volumen (ppmv) [1 ppmv = 1 jg × ml –1], típicamente comprendida entre 25 y 100 ppmv. La cantidad de contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) presente en dicha corriente gaseosa puede ir aumentándose, si se desea, a medida que aumenta la aclimatación de los microorganismos a dicho(s) contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s). El experto en la materia puede generar, por métodos convencionales, corrientes gaseosas conteniendo diferentes concentraciones de contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) a analizar, y seleccionar aquélla que proporcione una mejor aclimatación de los microorganismos presentes en el medio biológico elegido al contaminante o contaminantes. Asimismo, caudales de dicha corriente gaseosa que proporcionen un tiempo de residencia [en inglés, “EBRT” (empty bed residence time), que relaciona el caudal de la corriente gaseosa con el tamaño del biofiltro según la fórmula EBRT = Vf / Q, donde Vf es el volumen del biofiltro vacío y Q es el caudal de la corriente gaseosa, y da una idea del tiempo de tratamiento] igual o inferior a 3 minutos, típicamente, entre 2 y 3 minutos aproximadamente, suelen ser adecuados durante la etapa de aclimatación. Las condiciones para aclimatar los microorganismos contenidos inicialmente en la biomasa a dicho(s) contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) dependen, en general, de diversos factores, por ejemplo, del contenido en contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) en la corriente gaseosa utilizada, del tiempo de residencia, de la duración del tratamiento, etc. Durante esta etapa de aclimatación previa, al igual que durante la biofiltración propiamente dicha, puede ser necesario aportar una solución de nutrientes con el fin de favorecer el metabolismo de los microorganismos capaces de degradar dichos(s) contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s). El aporte de dicha solución de nutrientes puede realizarse mediante riego en el caso de la aclimatación en el biofiltro o mediante adicción/remplazo al medio líquido en el caso de la aclimatación en un reactor de aclimatación.

Con objeto de acelerar el arranque del biofiltro se prefiere que la aclimatación tenga lugar fuera del propio biofiltro, y, en particular, en un sistema de aclimatación continuo. En este sentido, aunque las condiciones para aclimatar pueden variar ampliamente, en una realización particular, dicha aclimatación comprende el borboteo sobre

un medio líquido rico en microorganismos en constante agitación (por ejemplo, un lodo de una EDAR) de una corriente gaseosa que comprende uno o más contaminantes gaseosos biodegradables en una cantidad igual o inferior a aproximadamente 100 ppmv, típicamente comprendida entre 25 ppmv y 100 ppmv, de manera continua, con un caudal que proporciona un tiempo de residencia igual o inferior a 3 minutos, típicamente, entre 2 y 3 minutos aproximadamente, durante aproximadamente al menos 30 días, preferentemente durante aproximadamente 60 días. En la Figura 1 se representa una realización particular de un sistema de aclimatación en continuo para la obtención de inóculo para el arranque del biofiltro de la invención provisto de: (1) entrada de corriente gaseosa, (2) punto de muestreo, (3) medio líquido bajo agitación, (4) punto de muestreo y (5) salida de corriente gaseosa.

Una vez que se han desarrollado los microorganismos capaces de degradar dicho contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s), se obtiene un medio líquido “activado”, es decir, un medio líquido que contiene el microorganismo o microorganismos capaces de degradar el contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) en cuestión, el cual se utiliza para inocular las EAFS. De manera preferente, la inoculación se lleva a cabo en el propio biofiltro, cargado previamente con el material de relleno, por ejemplo, mediante riego con dicho medio líquido “activado”. Tras riegos sucesivos, se forma la biopelícula de microorganismos, con lo que el biofiltro ya está listo para la depuración de corrientes gaseosas contaminadas con el contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) en cuestión.

En una variante de la invención, se contempla que el procedimiento de aclimatación iniciado fuera del biofiltro continúe en el propio biofiltro. Para ello, tras inocular el biofiltro previamente cargado con material de relleno, se alimenta durante un periodo breve (típicamente 2 semanas) con corrientes con concentraciones de contaminantes bajas, normalmente no superiores a 100 ppmv.

En otra realización alternativa, se contempla que todo el procedimiento de aclimatación tenga lugar en el propio biofiltro. Así, el regado del material de relleno contenido en el biofiltro con un medio líquido que presente diversas poblaciones de microorganismos, como por ejemplo lodo biológico de una EDAR, junto al paso de una corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable, preferentemente en una cantidad relativamente baja, también conduce a la formación de la biopelícula de microorganismos sobre el material de relleno, responsable de la depuración.

Diversas estrategias de aclimatación útiles en biofiltros convencionales se encuentran descritas en el estado de la técnica [Elías, A. y col. (2010). J. Air & Waste Manage. Assoc. 60: 959–967].

El método de biofiltración de la invención comprende hacer pasar dicha corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a través de un biofiltro de la invención. La cantidad o concentración de contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) presente en dicha corriente gaseosa a depurar puede variar dentro de un amplio intervalo. No obstante, en una realización particular, dicha corriente gaseosa a depurar contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable en una cantidad comprendida entre aproximadamente 50 ppmv y aproximadamente 250 ppmv. Dado que la corriente gaseosa contaminada a depurar puede contener uno o más contaminantes gaseosos biodegradables, en la presente invención, a menos que se indique lo contrario, las cantidades o concentraciones de contaminante gaseoso biodegradable expresadas se refieren a cantidades o concentraciones totales de contaminante gaseoso biodegradable, de tal modo que si existe más de un contaminante gaseoso biodegradable en la corriente gaseosa contaminada a depurar, la cantidad o concentración total resulta de la suma de las cantidades o concentraciones de cada uno de ellos.

Asimismo, el tiempo de residencia, o cantidad promedio de tiempo que puede permanecer la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar en contacto con el material de relleno (EAFS) del biofiltro de la invención puede variar dentro de un amplio intervalo. No obstante, en una realización particular, dicho tiempo de residencia está comprendido entre aproximadamente 10 segundos y aproximadamente 80 segundos, típicamente alrededor de 60 segundos aproximadamente. Midiendo la concentración del contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) en cuestión a la salida del biofiltro de la invención se puede comprobar el funcionamiento del material de relleno y de los microorganismos capaces de degradar dicho(s) contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s), de manera que, en caso de que la eficacia del biofiltro decaiga, tomar las medidas oportunas para aumentar la eficacia, por ejemplo, regando el material de relleno con una solución de nutrientes, tal como se menciona más adelante, para recuperar la normalidad.

La corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar mediante el método de biofiltración de la invención puede proceder de diversos focos contaminantes, por ejemplo, de instalaciones de procesos que utilizan o generan dichos contaminantes, tales como las instalaciones de fabricación de fibras de celulosa, industria alimentaria de envoltura sintética, industria farmacéutica, industria química, fabricación de pinturas, etc.

En la práctica resulta conveniente que la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar esté húmeda, o sea saturada en vapor de agua, ya que la propia humedad de dicha corriente gaseosa colabora en el desarrollo adecuado de los microorganismos presentes en el material de relleno del biofiltro de la invención. Por tanto, en una realización particular, el método de biofiltración de la invención

comprende una etapa de humidificación de la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar, para lo cual, dicha corriente gaseosa se pone en contacto con un medio acuoso, por ejemplo, agua, antes de ser introducida en el biofiltro. El medio acuoso utilizado en esta etapa puede estar presente en un sistema de humidificación, tal como, por ejemplo, una o más columnas de medio acuoso (e.g., agua), que cede(n) a la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable la humedad necesaria, situada antes del biofiltro. En una realización particular, dicho sistema de humidificación comprende una única columna de medio acuoso (e.g., agua); en otra realización particular dicho sistema de humidificación comprende al menos dos, por ejemplo, 2, 3, 4 ó incluso más, columnas de medio acuoso (e.g., agua), con el fin de garantizar una correcta saturación de la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar y minimizar el mantenimiento del sistema. En una realización particular, la humedad relativa de la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable de entrada al biofiltro de la invención es igual o superior al 70%, habitualmente igual o superior al 80%, ventajosamente igual o superior al 90%, preferentemente igual o superior al 95%, aún más preferentemente igual o superior al 99%.

Durante el proceso de biofiltración, la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar pasa a través del material de relleno que sirve de soporte a los microorganismos en crecimiento capaces de degradar dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s). La degradación de dicho(s) contaminante(s) ocurre, en general, previa transferencia de la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a un medio líquido en donde es utilizado como fuente de carbono y/o energía. La utilización de dicho contaminante implica una serie de reacciones químicas que conducen a la descomposición o degradación el contaminante, por ejemplo, a su oxidación parcial o total, así como la producción de biomasa capaz de degradar dicho(s) contaminante(s), con lo que el método de biofiltración de la invención da lugar a una degradación prácticamente completa del contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s) generando productos no peligrosos (inocuos) para la salud humana o animal y/o el medio ambiente y una corriente gaseosa total o parcialmente descargada en dicho(s) contaminante o contaminantes gaseoso(s) biodegradable(s).

El experto en la materia entenderá que el método de biofiltración de la invención incluye la posibilidad de hacer pasar la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a través de uno o más biofiltros de la invención. Así, en una realización particular, el método de biofiltración de la invención comprende hacer pasar la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar a través de un único biofiltro de la invención. En otra realización particular, el método de biofiltración de la invención comprende hacer pasar la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar a través de dos o más biofiltros de la invención, por ejemplo, 2, 3, 4, o incluso más, operativamente conectados entre sí; en este caso, la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar se hace pasar a través del primero de los biofiltros de la invención y la corriente gaseosa de salida de dicho primer biofiltro de la invención, que estará al menos parcialmente descargada en dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s), se hace pasar a través del segundo biofiltro de la invención, y, de manera similar, la corriente gaseosa de salida de dicho segundo biofiltro de la invención, que estará aún más descargada en dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s), se hace pasar a través del tercer biofiltro de la invención, y así sucesivamente hasta la salida definitiva de la corriente gaseosa total o parcialmente descargada de dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s). Por tanto, el método de biofiltración de la invención permite alcanzar una eficacia de eliminación de dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s) del 100%, o muy próxima al 100%, en relación con la cantidad de dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s) presente en la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar.

Durante la realización del método de biofiltración de la invención, la operación estable del biofiltro de la invención puede requerir el riego del material de relleno con una solución de nutrientes. Los macronutrientes apropiados deben contener N, P, K, completados en menor proporción con elementos micronutrientes como el Fe o Ni, entre otros [Barona, A., et al. (2007). Additional determinations in a potential support material for toluene biofiltration: adsorption and partition in the nutrient solution. Chem. Biochem. Eng. Q. 21 (2):151–157]. En una realización particular, la solución de nutrientes contiene 100 mg de KH2PO4, 400 mg de K2HPO2, 27 mg de MgSO4·7H2O, 10 mg de CaSO4·2H2O, 10 mg de FeSO4·7H2O y 500 g de (NH4)2SO4 en 1 L de agua; se añade una cantidad de 5 cm3 de solución de micronutrientes que contiene 2 g/dm3 de FeCl2·4H2O, 2 g/dm3 de CoCl2·6H2O, 0,5 g/dm3 de MnCl2·4H2O, 60 mg/dm3 de CuCl2, 50 mg/dm3 de ZnCl2, 50 mg/dm3 de H3BO3, 2 g/dm3 de HCO3Na, 90 de mg/dm3 (NH4)6Mo7O24·4H2O, 1 g/dm3 de ácido etilentetraaminodiacético (EDTA), 0,1 g/dm3 de Na2SeO3, 50 mg/dm3 de NiCl2·H2O. Además de aportar nutrientes para favorecer el metabolismo (crecimiento y mantenimiento) de los microorganismos capaces de degradar el/loscontaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s) a tratar, con dicho riego se favorece el tamponamiento (efecto buffer) del pH del biofilm donde residen los microorganismos y se arrastran los posibles intermedios de degradación (ácidos) generados como sub-productos no deseados de la reacción de degradación de dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s). En cualquier caso, las buenas características reguladoras del pH así como las buenas características para retener la humedad por parte de las EAFS utilizadas como material de relleno del biofiltro utilizado en el método de biofiltración de la invención minimizan la necesidad de tener que efectuar riegos de forma muy continuada. Aunque el periodo de tiempo que transcurre entre dos riegos consecutivos puede variar dentro de un amplio intervalo, dependiendo de numerosos factores (e.g., necesidad de aportar nutrientes, necesidad de humedecer el soporte, etc.), en una realización particular, el periodo de tiempo comprendido entre dos riegos consecutivos está comprendido entre aproximadamente 1 y 5 días, típicamente entre aproximadamente 1 y 2 días.

Aunque durante la operación del método de biofiltración de la invención se pudiera generar dióxido de carbono/ácido carbónico, por ejemplo, cuando el contaminante gaseoso biodegradable comprende un COV, en la práctica, en general, no es necesario utilizar reactivos adicionales para neutralizar dicho ácido procedente de la oxidación de dichos contaminantes.

Por otra parte, la generación de lixiviado asociada con la puesta en práctica del método de biofiltración de la invención es mínima y, en general, de escaso o nulo impacto medioambiental, por lo que no es necesario realizar ninguna gestión con dicho lixiviado.

Ensayos realizados por los inventores en régimen continuo han puesto de manifiesto que las EAFS utilizadas en la elaboración del material de relleno del biofiltro utilizado en el método de biofiltración de la invención, debido a sus buenas características físico-químicas, no sufren un deterioro (o erosión) significativo tras más de 12 meses de operación y es esperable que alcance incluso los 10 años. Por tanto, la presente invención proporciona un método estable y duradero para la depuración (eliminación o reducción de la cantidad) de uno o más contaminantes gaseosos biodegradables contenidos en una corriente gaseosa que contiene dicho(s) contaminante(s).

En la Figura 2 se muestra un esquema ilustrativo de una realización particular del método de biofiltración de la invención, en el que puede apreciarse que se hace pasar una corriente gaseosa humedecida (e.g., saturada de humedad) que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable, por ejemplo, uno o más COVs, H2S, CS2, etc., o combinaciones de los mismos, a través del material de relleno contenido en el biofiltro de la invención en donde dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s) es/son degradados por los microorganismos capaces de degradar dicho(s) contaminante(s). Brevemente, una corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable (2) procedente de un foco contaminante (1) es introducida en un sistema de humidificación

(3) que contiene agua con el fin de humedecer dicha corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable antes de su entrada en un biorreactor (5). La corriente gaseosa humedecida que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable (4) es introducida en dicho biorreactor (5) el cual contiene 2 biofiltros de la invención (6a y 6b); cada uno de los cuales comprende un material de relleno y microorganismos capaces de degradar dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s), en donde dicho material de relleno comprende EAFS. Los 2 biofiltros de la invención (6a y 6b) están dispuestos verticalmente y operativamente conectados entre sí de manera que la corriente de salida del primer biofiltro (6a) alimenta al segundo biofiltro (6b) del que sale la corriente gaseosa prácticamente descargada de dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s) (7). En caso necesario, los nutrientes contenidos en el sistema de riego (8) se aportan a los biofiltros de la invención mediante riego con el fin de mantener el metabolismo de los microorganismos capaces de degradar dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s).

Instalación de la invención

El método de biofiltración de la invención puede realizarse en una instalación adecuada que comprende al menos un biofiltro de la invención, es decir, un biofiltro que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) como material de relleno y microorganismos capaces de degradar el contaminante o contaminantes gaseosos biodegradables que se desea eliminar, como, por ejemplo, COVs, H2S, CS2, etc. Dicha instalación, en adelante “instalación de la invención”, constituye un aspecto adicional de esta invención.

La instalación de la invención puede contener uno o más biofiltros de la invención. Así, en una realización particular, la instalación de la invención comprende un único biofiltro de la invención. En otra realización particular, la instalación de la invención comprende dos o más biofiltros de la invención, por ejemplo, 2, 3, 4, ó incluso más, operativamente conectados entre sí (en serie); en este caso, la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable (e.g., uno o más COVs, H2S, CS2, etc., o combinaciones de los mismos) a depurar se hace pasar a través del primer biofiltro de la invención y la corriente gaseosa de salida de dicho primer biofiltro de la invención se hace pasar a través del segundo biofiltro de la invención, y, de manera similar, la corriente gaseosa de salida de dicho segundo biofiltro de la invención se hace pasar a través del tercer biofiltro de la invención, y así sucesivamente hasta la salida definitiva de la corriente gaseosa total o parcialmente descargada de dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s).

El diseño modular de la instalación de la invención permite que los biofiltros de la invención más alejados de la entrada de la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable reciban concentraciones muy bajas de dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s) pero suficientes para la adaptación de los microorganismos capaces de degradar dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s). Asimismo, el diseño modular permite la biodegradación de dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s) en el primer biofiltro de la invención mientras que los restantes biofiltros pueden actuar como reserva, lo que garantiza la eficacia del sistema incluso con incrementos repentinos de carga contaminante.

La instalación de la invención incluye, ventajosamente, si se desea, un sistema de humidificación, tal como, por ejemplo, una o más columnas de medio acuoso (e.g., agua), que cede(n) a la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable la humedad necesaria, situada antes del biofiltro de la invención.

Adicionalmente, la instalación de la invención incluye los medios adecuados para transportar la corriente gaseosa a depurar, y, si se desea, una fuente de nutrientes por si fuera necesario aportar al biofiltro de la invención para mantener el metabolismo de los microorganismos capaces de degradar dicho(s) contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s) presentes en el biofiltro de la invención.

Asimismo, si se desea, la instalación de la invención puede incluir medios para medir y/o controlar la temperatura de entrada al biofiltro de la invención de la corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a depurar, medios para medir el pH en el interior del biofiltro, y medios para medir la cantidad de contaminante(s) gaseoso(s) biodegradable(s) presente en la corriente gaseosa de salida del biofiltro de la invención.

La instalación de la invención, además de al menos un biofiltro de la invención, puede contener uno o más biofiltros diferentes en los que el material de relleno del biofiltro no es EAFS sino otro material bien de naturaleza inorgánica como de naturaleza orgánica por ejemplo, compost, turba, turba ácida, corteza de pino, una mezcla de compost, serrín y perlita, o un compost obtenible por descomposición aeróbica-anaeróbica de una mezcla que comprende (i) 30-70% en peso de residuos de animales, y (ii) 70-30% en peso de residuos vegetales.

El siguiente ejemplo ilustra la invención y no debe ser considerado en sentido limitativo de la misma.

EJEMPLO 1

Diseño de un sistema de biofiltración de tolueno

La Figura 2 muestra una representación esquemática de una instalación adecuada para la puesta en práctica del método de biofiltración de la invención. Tal como se puede apreciar, dicha instalación consta básicamente de un sistema de humidificación (3) y un bioreactor (5) que contiene 2 biofiltros (6a y 6b), colocados verticalmente, con un volumen total aproximado de 4,5 L, construido en cloruro de polivinilo (PVC) y con flujo de gas descendente; los biofiltros (6a y 6c) están conectados operativamente entre sí y, en su interior, se encuentra el material de relleno que comprende EAFS, que actúa como material de soporte sobre el que se desarrolla la biomasa (microorganismos) responsable de la degradación del tolueno (contaminante gaseoso biodegradable contenido en la corriente gaseosa contaminada a depurar).

El inóculo se obtuvo a partir de lodo biológico de una estación depuradora de agua residual (EDAR). El proceso de aclimatación de la biomasa contenida en el lodo se llevó a cabo en un reactor de aclimatación construido en PVC (Vtot= 4,5 L), tal como se representa en la Figura 1. En esta etapa inicial de aclimatación, alimentando con corrientes gaseosas que contenían tolueno, con concentraciones de tolueno comprendidas entre 25 y menos de 100 ppmv, y, con tiempos de residencia de aproximadamente 3 minutos, que borboteaban sobre la muestra de lodo en agitación, se llegó a obtener, al cabo de unos 30 días aproximadamente, el medio líquido necesario para la inoculación de la escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS).

La EAFS se introdujo en el biorreactor modular (Figura 2) y se regó con el inóculo aclimatado, formándose una biopelícula que contenía la biomasa activa, es decir, los microorganismos capaces de degradar tolueno.

La utilidad del sistema se evaluó con una corriente gaseosa con un contenido en tolueno de aproximadamente 50-150 ppmv. Con dicha corriente la eficacia del tratamiento de depuración de tolueno fue superior al 90% para tiempos de residencia de aproximadamente 60 s. El mantenimiento de la humedad en el material de relleno del biofiltro (EAFS) se consiguió mediante un riego diario con la solución de nutrientes exigida para el metabolismo de la biomasa activa.

El proceso de depuración de dicha corriente gaseosa que contiene tolueno como contaminante no generó lixiviados en el sistema, lo que eliminó la necesidad de tener que realizar un tratamiento posterior de los mismos.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Un biofiltro de lecho fijo que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) como material de relleno.

2. 2.

   Biofiltro según la reivindicación 1, que además comprende microorganismos capaces de degradar al menos un contaminante gaseoso biodegradable.

3. 3.

   Biofiltro según la reivindicación 2, en el que dicho contaminante gaseoso biodegradable se selecciona del grupo formado por compuestos orgánicos volátiles (COVs), disulfuro de hidrógeno (H2S), sulfuro de carbono (CS2), y cualquier combinación de los mismos.

4. 4.

   Una instalación que comprende, al menos, un biofiltro según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.

5. 5.

   Un método para depurar una corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable mediante biofiltración que comprende hacer pasar dicha corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable a través de un biofiltro según la reivindicación 1, comprendiendo dicho biofiltro, además de escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) como material de relleno, microorganismos capaces de degradar dicho al menos un contaminante gaseoso biodegradable.

6. 6.

   Método según la reivindicación 5, en el que dicho contaminante gaseoso biodegradable se selecciona del grupo formado por compuestos orgánicos volátiles (COVs), disulfuro de hidrógeno (H2S), sulfuro de carbono (CS2), y cualquier combinación de los mismos.

7. 7.

   Método según la reivindicación 5 ó 6, en el que dicha corriente gaseosa contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable en una cantidad comprendida entre aproximadamente 50 partes por millón en volumen (ppmv) y aproximadamente 250 ppmv.

8. 8.

   Método según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que el caudal de dicha corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable se selecciona de manera tal que el tiempo de residencia está comprendido entre aproximadamente 10 s y aproximadamente 80 s.

9. 9.

   Método según la reivindicación 5, que comprende la inoculación previa del material de relleno del biofiltro con microorganismos capaces de degradar al menos un contaminante gaseoso biodegradable.

10. 10.

    Método según la reivindicación 9, en el que dicha inoculación comprende la aclimatación previa de una muestra de un lodo biológico.

11. 11.

    Método según la reivindicación 10, en el que dicha muestra de lodo biológico procede de una estación depuradora de agua residual (EDAR).

12. 12.

    Método según cualquiera de las reivindicaciones 10 ú 11, en el que dicha aclimatación comprende el tratamiento de lodo biológico con una corriente gaseosa que contiene al menos un contaminante gaseoso biodegradable en una cantidad igual o inferior a aproximadamente 100 ppmv, de manera continua, con un caudal que proporciona un tiempo de residencia igual o inferior a 3 minutos, durante aproximadamente al menos 30 días.

13. 13.

    Uso de escoria negra de horno de arco eléctrico (EAFS) como material de relleno de un biofiltro para biofiltración en sistemas de lecho fijo de corrientes gaseosas contaminadas con al menos un contaminante gaseoso biodegradable.

    Figura 1 Figura 2

    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

    N.º solicitud: 201132043

    ESPAÑA

    Fecha de presentación de la solicitud: 19.12.2011

    Fecha de prioridad:

    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

    51 Int. Cl. : B01D53/85 (2006.01)

    DOCUMENTOS RELEVANTES

    Categoría

    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

    A

    US 20090081093 A1 (COMRIE D.) 26.03.2009, resumen; párrafos 32-35; reivindicaciones 1,3. 1,4,13

    A

    CA 2409585 A1 (KHAROUNE M, BOULANGER Y., COMEAU Y.) 30.04.2004, resumen; página 4. 1,2,4

    A

    ES 2085044 T3 (ROCKWOOL INTERNATIONAL) 16.05.1996, descripción. 1-13

    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:

    Fecha de realización del informe 19.12.2012

    Examinador M. Ojanguren Fernández Página 1/4

    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

    Nº de solicitud: 201132043

    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) B01D Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de

    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, CAS

    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 201132043

    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 19.12.2012

    Declaración

    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-13 SI NO

    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-13 SI NO

    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

    Base de la Opinión.-

    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 201132043

    1. Documentos considerados.-

    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

    Documento

    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

    D01

    US 20090081093 A1 (COMRIE D.) 26.03.2009

    D02

    CA 2409585 A1 (KHAROUNE M, BOULANGER Y., COMEAU Y.) 30.04.2004

    D03

    ES 2085044 T3 (ROCKWOOL INTERNATIONAL) 16.05.1996

14. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

    El objeto de la presente solicitud es un biofiltro de lecho fijo que comprende escoria negra de horno de arco eléctrico como material de relleno y el uso de dicha escoria como relleno de un biofiltro para biofiltración en sistemas de lecho fijo de corrientes gaseosas contaminadas con al menos un contaminante gaseoso biodegradable, que en concreto especifica como sulfuro de hidrógeno, sulfuro de carbono o compuestos orgánicos volátiles. También se reivindica un método para depurar una corriente gaseosa utilizando un biofiltro que comprende además de la escoria negra de horno de arco eléctrico, microorganismos capaces de degradar al menos un contaminante gaseoso biodegradable.

    El documento D1 divulga un biofiltro de lecho móvil que contiene escorias de horno de arco eléctrico. Dicho filtro se utiliza para la adsorción y precipitación de fósforo o como medio filtrante de materias en suspensión, pero no se indica en ninguna parte del documento su uso para la eliminación de contaminantes en corrientes gaseosas ni se menciona que el tipo de escorias de arco eléctrico que se utiliza en la composición del biofiltro.

    El documento D2 divulga un filtro de lecho fijo que contiene escorias con una composición similar a las escorias negras de horno de arco eléctrico (ver párrafos 32 a 36) y que se utiliza para purificar efluentes industriales gaseosos que contienen contaminantes gaseosos, en concreto dióxido de carbono y óxidos de azufre y nitrógeno. Sin embargo este filtro no cuenta con la presencia de microorganismos en su composición.

    Por último el documento D3 divulga un filtro biológico fibroso para depurar gases contaminados con sulfuro de hidrógeno y compuestos orgánicos volátiles que tiene medios para introducir el gas contaminado adyacentes a los medios para introducir una corriente acuosa para la nutrición y de los microorganismos y la adsorción de los contaminantes presentes en la corriente gaseosa. Dicho filtro puede contener como material de relleno lana de escoria sin especificar su procedencia o composición, u otro tipo de lana mineral que permita que dotar al filtro de una alta fibrosidad.

    Sin embargo, ninguno de los documentos citados tomados solos o en combinación revela las características de la invención tal y como está recogida en las reivindicaciones 1 a 13 de la presente solicitud y por lo tanto dichas reivindicaciones son nuevas y tienen actividad inventiva. (Art. 6.1 y 8.1 LP).

    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4