TRATAMIENTO BIOTECNOLÓGICO DE CORRIENTES GASEOSAS

D lf ió E i i i d Bi áDesulfuración y Enriquecimiento de Biogás para su aprovechamiento

H2O + CO2

SELLO BIOGÁS

Pozo Pozo

BIOGÁS

Basura

Dr. Armando González Sánchez

Área Ingeniería Ambiental

Instituto de Ingeniería UNAM

LIXIVIADOS

Barrera de arcilla

Instituto de Ingeniería, UNAM

Correo electrónico: AGonzalezS@iingen.unam.mx

Contaminación AtmosféricaConsecuencias

•IndustrializaciónT ió

mal olor (0.01–0.3 ppmv)

corrosión

Actividades COCO2,2, NOxNOx, SOxH2S, CS2, R‐SHCHCH VOC´s•Transportación

•Plantas tratadoras

toxicidadCHCH4,4, VOC s

de agua residual•Rellenos sanitarios

Acumulación de

gases de efecto gases de efecto

Fuentes naturalesFuentes naturales invernadero (GHG)invernadero (GHG)

Tratamientos biotecnológicos son opcionesopciones promisorias

BiofiltrosBiofiltros y y BiofiltrosBiofiltros de lecho escurridode lecho escurridoBiofiltrosBiofiltros y y BiofiltrosBiofiltros de lecho escurridode lecho escurrido

Condiciones ambientales

Bajas Concentraciones (0.01 a 10 g m-3) Altos flujos de gas (50 a 200,000 m3 h-1)

Rango de aplicación de opcionesopcionestecnológicas para el tratamiento de gases

1,000,000Flujo Aire (m3/h)

10,000

100,000Biofiltros lecho empacado BiofiltrosBi l d

incineración

100

1,000

Crio condensación

Adsorción c/ regener.

Biolavadores Lavador Condensación

10

100

0.1 1 10 100

Adsorción sin regeneraciónCrio condensación

Concentración (g/m3)

Dragt, 1992; VanGroenestijn y Hesselink, 1993; Devinny et al., 1999).

Consideraciones para la selección del sistema de tratamiento de emisiones gaseosas

En la corriente gaseosa contaminadalFlujoTemperaturaHumedadComposiciónComposición 

Propiedades del contaminanteToxicidadCorrosividadCombustibilidadSolubilidadBiodegradabilidadBiodegradabilidad

Requerimientos de eliminaciónCapacidad de eliminación (gcontaminante m3

reactor h‐1)p (gcontaminante reactor )Eficiencia de eliminación (%)

Costos de Inversión y operación

OtrosGeneración de desechos y subproductos (recuperar, reutilizar o reciclar)(recuperar, reutilizar o reciclar)

El BIOFILTRO

Airelimpio

Aire limpioBiopelícula

pO2

Lecho orgánico+microorganismos

Contaminante GAS

Producto no tóxico

Aire contaminadoLechoempacado

AireContaminado(húmedo) Ventajas:(húmedo)

Lixiviados

Ventajas:Poca supervisión, poco consumo de energíaDiversos compuestos

Desventajas:Poco control en la condiciones ambientalesRiesgo de taponamiento

Proceso de Transferencia-Biorreacción BIOFILTRO

Altura

gCa de bio

g

bC

filtro

GasBiopelículaSoporte

r2

2b

iCDx

∂∂

gB b

Ck a C

H⎛ ⎞

−⎜ ⎟⎝ ⎠

ibr ,⎝ ⎠

Espesor de peliculas

LíquidoRecirculación

El BIOFILTRO DE LECHO ESCURRIDO

Airelimpio

Aire limpioBiopelícula

limpioO2

Lecho inorgánico+microorganismos

Contaminante GAS

Producto no tóxico

do cu

lac

ión

Aire contaminadoLechoempacado

Airecontaminado L

íqu

idR

ec

irc p

Ventajas:

AguaNutrientes

Buen control en la condiciones ambientalesTratan compuestos medianamente solubles

Purga

Nutrientes Desventajas:Riesgo de taponamientoMayor consumo de energía en la operación

Proceso de transferencia-biorreacción BIOFILTRO LECHO biorreacción BIOFILTRO LECHO ESCURRIDO

Altur C

lk gk

ra de bio

gClC

bC

filtro

GasLíquidoBiopelículaSoporteC⎛ ⎞

ibr ,

2

2b

iCDx

∂∂

gL l

CK a C

H⎛ ⎞

−⎜ ⎟⎝ ⎠( )B l bk a C C⋅ −

,

Espesor de peliculas

El BIOFILTRO DE MEMBRANA

Ventajas:•Buen control en la condiciones ambientales•Aumenta el área interfacial para la eliminación•Selectivo y fácil escalamiento

Desventajas:•Altos costos de construcción•Falta de estabilidad en su eficiencia de eliminación (crecimiento excesivo)

Caracterización del proceso de la Biofiltración- Parámetros

PARÁMETROPARÁMETRO

Tiempo de residencia de lecho vacío (TRLV)[=] min

  rVTRLVQ

=[ ]

Velocidad superficial (vs)[=] m h-1

Q

QvsA

=

Carga másica de entrada (ML)[=] gcontaminante m-3

biofiltro h-1

A

giL

r

Q CM

V⋅

=

Capacidad de Eliminación (CE)[=] gcontaminante m-3

biofiltro h-1( )gi go

r

Q C CCE

V⋅ −

=

Eficiencia de Eliminación (%E) ( )100% gi go

gi

C CE

C⋅ −

=

¡ Deseable: bajos TRLV y %E cercanas al 100% !¡ Deseable: bajos TRLV y %E cercanas al 100% !

La Biofiltración de gases-BIORREACCIONESBIORREACCIONES

Proceso Biorreacciones

CrecimientoC+H+N+O+P     BIOMASA

Oxidación Total aerobia(mineralización)

C         CO2N         NO3‐S          SO4

2‐

Oxidación Parcial

Et‐OH     Acetaldehído + Ac. Acético +  CO22NH4+     NO2‐ + NO3‐HH22S       S        SS00 +  SO+  SO44

22‐‐

Oxidación Total anóxicaOxidación Total anóxica

H2S  +  NO3‐ SO42‐ +  N2

Fijación fototrófica deFijación fototrófica de CO2

COCO22 ALGAS  + OALGAS  + O22

ELIMINACIÓN BIOTECNOLÓGICA DE H2S

– Aire apestosoComposición 

Nitrógeno (N ) 79 %Nitrógeno  (N2) 79 %

Dióxido de carbono (CO2) 0.2 %

Oxígeno (O2) 20.8 %

P bl d l d bi t i lSulfuro de hidrógeno (H2S) >  0.02 ppmv Problema de salud y bienestar social

– BiogásComposición 

M t (CH ) 40 60 %Metano  (CH4) 40‐60 %

Dióxido de carbono (CO2) 20‐30 %

Oxígeno (O2) 1.5 % Problema ambiental, de salud y deSulfuro de hidrógeno (H2S) 0.1‐1 % Operación en quemadores

Eliminación Biotecnológica de H2S de Aire (apestoso) Líquido

Aireli i

recirculación

Aire limpioBiopelícula

limpioO2

LechoEmpacadoconBi

H2SSO4

2-Biomasa

o ula

ció

nAire contaminado

Lechoempacado

4

Airecontaminado

H S H S

Líq

uid

ore

cir

cu empacado

Agua

Absorción H2S ↔ H2S(l)(¡paso limitante!, ¡¡caso de olores!!)

Oxidación Biológica (exceso de oxígeno)

13Purga

Nutrientesg ( g )

H2S(l) + 2O2 SO42- + H+

Absorción Física de H2S: Velocidad

Aire limpioBiopelícula

Líquidorecirculación

kLa kGa 2G H SC

H2S

Aire contaminadoLechoempacado

2

*G H SC

*C2

*L H SC

C2( ) G H SCJ a K a C⎛ ⎞= ⎜ ⎟ 2L H SC2

2( ) L L H SJ a K a CH= −⎜ ⎟

⎝ ⎠1K AireLíquido

14

1 1L

L G

K a

k a Hk a

=+

Airecontamiando

Líquidorecirculación

Absorción de H2S con reacción químicaVelocidad bajo condición alcalina

kLa kGa[OH ]

2G H SCH2S + OH- ↔ HS- + H2OReacción instantánea [OH-]Reacción instantánea

(Danckwerts. Gas-Liquid Reactions,Mc Graw-Hill. 1970)

física absorción de velocidadreaccióncon absorción de velocidad

=E 2

*G H SC

2

*L H SC

C di ió d ió i t tá

[HS-]

Condición de reacción instantánea

E >> 1

( )rJ a k aC= [ S ]

AireLíquido 2L H SC

2( ) G G H SJ a k aC=

15

Airecontamiando

Líquidorecirculación

2L H S

Máximo TransporteNo resistencia en el liquido

Absorción de CO2 :con reacción químicaVelocidad bajo condición alcalina

kLa kGa[OH ]

2G COCCO2 + OH- ↔ HCO3

-

R ió i t tá [OH-]Reacción instantánea(Danckwerts. Gas-Liquid Reactions,Mc Graw-Hill. 1970)

física absorción de velocidadreaccióncon absorción de velocidad

=E 2

*G COC

2

*L COC

C di ió d ió i t tá

[HCO3-]

Condición de reacción instantánea

E >> 1

[ CO3 ]

AireLíquido 2L COC2

( )rG GCOJ a k aC=

16

Airecontamiando

Líquidorecirculación

2L CO

Máximo TransporteNo resistencia en el liquido

Crecen a partir de la Bacteria Crecen a partir de la energía liberada por la oxidación de compuestos

BacteriaSulfooxidante

Alcalófila oxidación de compuestosazufrados

Alcalófila

Thioalkalimicrobiumh lk l b HH S + OS + O SS00 + SO+ SO 22‐‐

Origen: lagunas carbonatadas y desiertos

Thioalkalivibrio HH22S + OS + O22 SS00 +  SO+  SO4422

g g ysalinos

Aeróbica

Texcoco lake in MéxicoSoil pH can be > 11Na2CO3, 45%, NaCl 34%.

Crecen pH 7.50 - 10.65

Tolerancia a Na+ 0.3 - 4.3 mol L-1

17(Sorokin et al. J. Syst. Evol. Microbiol. 2001)

Biofiltración de olores en AIRE (H2S)

Escala laboratorio

Diámetro interno: 10 cm

Longitud de lecho: 60 cm

Modo de operación• Contracorriente

• TRLV: 1 a 6 segundos

[H S] t d 1 8 t 18 • [H2S] entrada : 1.8 to 18 ppmv

• pH = 10 (alcalino) y T = 22°C

99 % de eliminación hasta 40 g m-3 h-1

!Limitación por Reacción Biológica!

Fotobiorreactores para la fijación de CO22

COCO22 ALGAS  + OALGAS  + O22

Puede mitigar el efecto de GASES DEEFECTO INVERNADERO (GHG) además deEFECTO INVERNADERO (GHG) además dere aprovechar recursos en:

Gases de combustiónBiogás

Fotobiorreactores para la fijación de CO2

•Tanques abiertos para el cultivo de microalgas

• Uso de la energía del sol para:

2

• Uso de la energía del sol para:

•Algas  Algas + O2

•Algas  Biodiesel  Energíag g

•Algas proteínas, antibióticos

• Adecuado suministro de luz (fotones) y CO2 

P bl átiP bl átiProblemática:Problemática:

Imposibilidad de suministrar luz continuamente,

Zonas oscuras (crecimiento excesivo)Zonas oscuras (crecimiento excesivo)

Microalgas sensibles a la agitación

Procesos lentos; Reactores grandes

Gran consumo de energía para operación

Enriquecimiento y desulfuración de Enriquecimiento y desulfuración de Biogás para su aprovechamientoBiogás para su aprovechamientoBiogás para su aprovechamientoBiogás para su aprovechamiento

H2O + CO2

Justificación del Proyectoy

El d l bi á b tibl tá• El uso del biogás como combustible está condicionado a reducir su contenido de       HH S < 6S < 6 ppmppm (NOM‐001‐2007 para gasHH22S < 6 S < 6 ppmppmvv (NOM 001 2007 para gas natural)

• El poder calorífico del biogás esta diluido por la presencia de COCO22la presencia de COCO22

• Se puede re aprovechar recursos: energéticosSe puede re aprovechar recursos: energéticos (CH4) y residuos (CO2 y O2)

HipótesisHipótesis

L b ió l li i ltá d HH S COS CO• La absorción alcalina y simultánea de HH22S y COS y CO22 a partir de biogás amargo, suministrará de forma controlada los sustratos necesarios para efectuarcontrolada los sustratos necesarios para efectuar los procesos de sulfooxidaciónsulfooxidación y fotosíntesisrespectivamente; se prevé que ésta última etapa p ; p q ppuede resultar limitante del proceso global sí la transferencia y disponibilidad de luz no resulta fi i t t l t t l blsuficiente respecto a los sustratos solubles 

alimentados. Se podrá aprovechar el oxígeno aprovechar el oxígeno generado durante la etapa fototrófica en la etapagenerado durante la etapa fototrófica en la etapa sulfoxidante

Bi áBiogásS d l d i ió biSe produce por la descomposición anaerobia de materia orgánica

Rellenos sanitariosRellenos sanitarios

Digestores anaerobios

Plantas de tratamiento de agua residualPlantas de tratamiento de agua residual

Rango de Composición Típica

Metano  (CH4) 40‐60 %

Dióxido de carbono (CO2) 20‐30 %

Oxígeno (O2) 1.5 %g ( 2)

Sulfuro de hidrógeno (H2S) 0.1‐1 %

Sistema Biolavador para la eliminación de H2S del biogás (Proceso Thiopaq®). 

¡Si se aplica a la desulfuración de BIOGÁS también se absorberá gran parte del CO¡Si se aplica a la desulfuración de BIOGÁS también se absorberá gran parte del CO22!!HH22S y COS y CO22 son gases ácidosson gases ácidos

Transformación biológica de H S y CO bajo condición H2S y CO2 bajo condición alcalina en biorreactores

Aire Gastado2(g)

BiorreactorC b t

NaOH

Foto-BiorreactorBiorreactorHS- + 0.5 O2 S0 + OH-Carbonatos

SulfurosNutrientes

HCO-3 Biomasa + O2

(algas)

NitrógenoAire

S0 Algas

Nitrógeno

P t d i ti ió i tífi Proyectos de investigación científica y tecnológica para desarrollar en el IIUNAM

Proyecto CONACyT Ciencia Básica aprobado:

ESTUDIO DE LA ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE H2S Y CO2 A PARTIR DE BIOGÁS

Acción Integrada A2. AECID (Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo): Desulfuración sostenible de biogás mediante biorreactores para su

h i t f t d í lt tiaprovechamiento como fuente de energía alternativa

DESULFURACIÓN DE BIOGÁS PRODUCIDO EN PTAR Y RELLENOS SANITARIOS

•“Proceso híbrido oxidación con férrico y regeneración biológica”

•“Asimilación y adaptación de Proceso Thiopaq®”

•“Análisis de factibilidad técnica y económica del proceso de desulfuracióny p

• y aprovechamiento del biogás”

•“Mitigación de emisiones con potente efecto invernadero, eliminación de CH4 diluido

FOTOCATÁLISIS Y UV COMO PROCESOS PREVIOS A LA BIOFILTRACÏÓN DE COMPUESTOS RECALCITRANTES

Proceso híbrido químico‐biológicoDesulfuración de BiogásDesulfuración de Biogás 

(pH 1 a 2, acido)

H2S

Fe3++

S0Producto de valoragregado

Acidithiobacillus ferroxidans 

+g g

Fe2+Leptospirillum ferroxidans

Proceso y equipo experimentalProceso y equipo experimental

Prados de la MontañaPrados de la MontañaPrados de la MontañaPrados de la Montaña

METRO ObservatorioMETRO Observatorio

Sistema híbrido ubicado en el Relleno sanitario “Prados de la Montaña”(Cuajimalpa, D.F., México)

PublicacionesPublicaciones1 L Arellano García A González Sánchez 5 H Van Langenhove3 A Kumar4 S Revah (2012) Removal of odorantodorant dimethyldimethyl disulfidedisulfide1. L. Arellano‐García, A. González‐Sánchez, 5, H. Van Langenhove3, A. Kumar4, S. Revah (2012) Removal of odorantodorant dimethyldimethyl disulfidedisulfide

under alkaline and neutral conditions in biotrickling filters. Water Science & Technology. (Aceptado).           AdscripcionAdscripcion IIUNAMIIUNAM

2. F. Almenglo; M. Ramírez; J.M. Gómez ; D. Cantero; S. Revah and A. González‐Sánchez. (2012) Effect of VOCs and Methane in VOCs and Methane in the biological oxidation of the ferrous ion by an acidophilic consortium. Environmental Technology. Volume 33, Issue. 5. pp. 531‐ 537.

3. Arellano‐Garcia Luis, Gonzalez‐Sanchez Armando, Baquerizo Guillermo, Hernandez‐Jimenez Sergio and Revah Sergio. (2010) Treatment of carbon disulfide and carbon disulfide and ethanethiolethanethiol vapors in alkaline biotrickling filters using an alkaliphilic sulfo‐oxidizing bacterial consortium. J ChemTechnol Biotechnol. Volume 85 Issue 3, Pages 328 – 335

4. González‐Sánchez Armando, Tomas Maria, Dorado Antoni David, Gamisans Xavier, Gabriel David and Lafuente Javier. (2009) Development of a kinetic model kinetic model for elemental sulfur and sulphate formation from the autotrophic sulfide oxidation. Water Science & Technology Volume: 59 Issue: 7 Pages: 1323‐1329

5. González‐Sánchez A., Revah S (2009). Biological Sulfide Removal Biological Sulfide Removal under Alkaline and Aerobic Conditions in a Packed Recycling Reactor. Water Science and Technology 59: 1415‐1421

6. González‐Sánchez A.,Revah S., Deshusses M, (2008) Alkaline BiofiltrationBiofiltration of H2S Odorsof H2S Odors. Environm. Sci. Technol. 19, 7398‐7404

7. González‐Sánchez A., R. Meulepas, Revah S. (2008) Sulfur formation and recovery in a thiosulfatethiosulfate‐‐oxidizing bioreactor. Environm. Technol 29:8 847 – 853Technol. 29:8, 847 – 853

8. Antonio Velasco, Martha Ramírez, Tania Volke‐Sepúlveda, Armando González‐Sánchez and Sergio Revah. (2007) Evaluation of COD/sulfate ratio as a control criterion for the biological sulfide production and lead precipitationsulfide production and lead precipitation. Journal Hazardous Materials. Vol 7, No 21 pp.

9. González‐Sánchez A, and Revah S. (2007) The effect of chemical oxidation on the biological sulfide oxidation biological sulfide oxidation by an AlkaliphilicS lf idi i i l C i d i bi l h l 40 292 298Sulfoxidizing Bacterial Consortium, Enzyme and Microbial Technology. 40, 292–298.

10. González‐Sánchez A. and Revah S. (2006) Product recovery from H2S Product recovery from H2S containing flue gases. In: Waste gas treatment for resource recovery. pp 399‐406. Lens P.N.L., Kennes C., LeCloirec P. and Deshusses M. (Editors). International Water Association, London.

11. Armando González‐Sánchez, Sergio Alcántara, Elías Razo‐Flores and Sergio Revah (2005). Oxygen transfer coefficient Oxygen transfer coefficient and consumption in a thiosulfate oxidizing bioreactor with sulfur production. Letters in Applied Microbiology. Vol 41, Issue 2, Page 141‐146.

Revisor de RevistasRevisor de Revistas

• Applied Microbiology and Biotechnology

• Environmental TechnologyEnvironmental Technology

• Bioprocess and Biosystems Engineering

• African Journal of Microbiology Research

TRATAMIENTO BIOTECNOLÓGICO DE CORRIENTES GASEOSAS

D lf ió E i i i d Bi áDesulfuración y Enriquecimiento de Biogás para su aprovechamiento

H2O + CO2

SELLO BIOGÁS

Pozo Pozo

BIOGÁS

Basura

Dr. Armando González Sánchez

Área Ingeniería Ambiental

Instituto de Ingeniería, UNAM

LIXIVIADOS

Barrera de arcilla

Instituto de Ingeniería, UNAM

Correo electrónico: AGonzalezS@iingen.unam.mx