Evaluación de la biofiltración como tecnología de desodorización en el tratamiento de residuos orgánicos

Abstract

La industrialización, la superpoblación de grandes núcleos urbanos y el desarrollo de un modelo de sociedad de consumo son los principales factores que han dado lugar al incremento de la generación de residuos sólidos urbanos. Los problemas ambientales asociados a la generación de residuos amenazan la sostenibilidad ambiental del proceso de gestión y pueden llegar a provocar un problema de salud pública. Se hace necesario, por tanto, centrar los esfuerzos en las medidas de reducción de la cantidad de residuos generados y en la optimización de los procesos de gestión y tratamiento de los residuos sólidos urbanos. La contaminación atmosférica, causada por las emisiones procedentes del tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos, supone uno de los principales impactos ambientales en las plantas de tratamiento. La emisión de compuestos volátiles, tanto orgánicos como inorgánicos, se traduce en contaminación por olores desagradables y otras categorías de impacto ambiental asociadas a la contaminación atmosférica, como son la emisión de gases de efecto invernadero o la generación de ozono a nivel troposférico. Con objeto de optimizar el rendimiento y la sostenibilidad ambiental del tratamiento de los residuos sólidos urbanos, se han evaluado diferentes sistemas de biofiltración a escala piloto e industrial, como tecnología de control de las emisiones de compuestos volátiles derivadas del proceso de tratamiento de residuos orgánicos. Se ha diseñado y construido un biofiltro a escala piloto, que se ha sometido a diferentes condiciones de operación con la realización de diversos experimentos, con el objetivo de analizar las eficacias de eliminación de olor a través de la olfatometría dinámica. Al comienzo y al final de cada experimento se han realizado análisis microbiológicos que permiten cuantificar el número de unidades formadoras de colonias de microorganismos aerobios que sobreviven durante el experimento, así como la identificación taxonómica de la composición de las comunidades microbianas presentes en el relleno del biofiltro, con el objetivo de evaluar la evolución de las comunidades de microrganismos cuando se exponen a una corriente contaminante compuesta de ácido butírico. Se han obtenido eficacias de eliminación de hasta el 98-100%, mantenidas en periodos de tiempo prolongados, cuando se realizan periodos de aclimatación a un caudal de compuesto bajo y se mantienen condiciones de temperatura adecuadas. En cambio, cuando el biofiltro se ha sometido a cargas iniciales más altas y se aumenta la temperatura de la corriente contaminante, el filtro biológico resulta menos eficaz. Se han identificado a los microorganismos pertenecientes al filo de las Proteobacterias como los microorganismos que mejor se adaptan a la degradación del ácido butírico como corriente contaminante. En paralelo a estos experimentos, se realizó una réplica de estos biofiltros en el Department of Green Chemistry and Technology (Universidad de Gante, Bélgica), con el objetivo de obtener eficacias de eliminación de compuesto a través del análisis de las muestras con SIFT-MS (Selected Ion Flow Tube-Mass Spectrometry), que permitía obtener datos de eliminación de compuesto en continuo a lo largo de todo el experimento. A escala industrial se ha evaluado el rendimiento de un biofiltro industrial diseñado para tratar las emisiones gaseosas derivadas del proceso de compostaje en una planta de gestión de residuos ubicada en el municipio de Vacarisses (Barcelona). Este estudio ha sido realizado en colaboración con la empresa Odournet S.L. Los análisis realizados mediante olfatometría dinámica y cromatografía de gases-espectrometría de masas (GCTOFMS) han permitido analizar las eficacias de eliminación obtenidas de numerosas familias de compuestos orgánicos volátiles (COV). Los resultados obtenidos en este estudio han permitido evaluar la viabilidad del sistema de biofiltración como tecnología de minimización de las emisiones de COV derivadas del proceso de compostaje y analizar dos de los principales impactos ambientales asociados a dichas emisiones: la generación de olores molestos y el potencial de creación de ozono fotoquímico (POCP). Así, se han realizado análisis quimiométricos que han permitido identificar las familias de compuestos que generan mayores impactos, observándose una correlación adecuada entre el POCP y el impacto oloroso en el compostaje de residuos orgánicos, bajo las condiciones del estudio. Destacan los aldehídos, cetonas, alifáticos, sulfuros, éteres y ésteres como las familias más influyentes en la correlación entre los impactos. Además, se han identificado a los sistemas de aireación utilizados como determinantes en el rendimiento ambiental del biofiltro y en la eficacia del propio proceso de compostaje. Los resultados obtenidos en dichos trabajos de investigación, que se han desarrollado en esta Tesis Doctoral, suponen un avance respecto a la mejora de la biofiltración como tecnología sostenible de control de las emisiones. La aplicación de los resultados obtenidos podría contribuir a mitigar los diversos impactos (ambientales, sociales y de salud ocupacional) derivados del tratamiento de residuos orgánicos y optimizar el rendimiento, en términos de eficacia, de los sistemas de biofiltración.

Industrialization, overpopulation of large urban areas and the development of a consumer society model are the main factors that have led to the increase in the generation of urban solid waste. Environmental problems related to the generation of waste threaten the environmental sustainability of the management processes and may cause public health problems. Therefore, it is necessary to focus efforts on measures to reduce the amount of generated waste and optimizing management and treatment processes of such type of waste. Air pollution, caused by emissions from the treatment of organic fraction of municipal solid waste represents one of the main environmental impacts in management plants. The emission of volatile compounds, both organic and inorganic ones, becomes polluting due to the generation of unpleasant odors and other categories of environmental impacts associated with atmospheric pollution, such as the emission of greenhouse gases or the generation of ozone at tropospheric level. To optimize the performance and environmental sustainability of the management of urban solid waste, different biofiltration systems have been evaluated on a pilot and industrial scales, as a technology to control the emissions of volatile compounds derived from the organic waste treatment process. A pilot-scale biofilter was designed, built and subjected to different operating conditions with the performance of various experiments, with the aim of analyzing the odor removal efficiency through dynamic olfactometry. At the beginning and at the end of each experiment, microbial analyzes were carried out, which allowed quantifying the number of colony-forming units of aerobic microorganisms that survive during the experiment. Furthermore, taxonomic identification of the composition of the microbial communities present in the biofilter filling was carried out with the aim of evaluating the evolution of the communities of microorganisms when exposed to a polluting stream composed of butyric acid. Removal efficiencies up to 98-100% were obtained and maintained over long periods of time when acclimatization periods were previously applied at low pollutant flow rate and adequate temperature conditions were also maintained. However, when the biofilter was subjected to higher initial loads and the temperature of the polluting stream was increased, the biological filter was less efficient. Microorganisms belonging to the phylum Proteobacteria were as the best adapted ones to the degradation of butyric acid as polluting agent. In parallel to these experiments, a replica of such biofilter was carried out at the Department of Green Chemistry and Technology (Ghent University, Belgium), with the aim of quantifying pollutant removal efficiencies through the analysis of samples with SIFT-MS (Selected Ion Flow Tube-Mass Spectrometry). The experimental procedure allowed obtaining data on the elimination of polluting compound at real time throughout the entire experiment. At industrial scale, the performance of an industrial biofilter designed to treat the gaseous emissions derived from composting processes was evaluated. The biofilter is located in a waste management plant in Vacarisses (Barcelona, Spain). This study was carried out in collaboration with the company Odournet S.L. The analyses carried out by means of dynamic olfactometry and gas chromatography-mass spectrometry (GCTOFMS) made it possible to analyze the removal efficiencies of numerous families of volatile organic compounds (VOCs) derived from composting processes and the viability of the biofiltration system. Moreover, two of the main environmental impacts associated with such emissions were analyzed: the generation of annoying odors and the potential to create photochemical ozone (POCP). Thus, chemometric analyzes was carried out to identify the families of compounds that generate the highest impacts. Such analyzes allowed identifying an adequate correlation between POCP and the odorous impact derived from composting organic waste, under the study conditions. Aldehydes, ketones, aliphatic compounds, sulfides, ethers, and esters stand out as the most influential families in the correlation between both impacts. In addition, the aeration systems used in the management plant was identified as determining factor in the environmental performance of the biofilter and in the efficiency of the composting process itself. The results obtained in this Doctoral Thesis represent an advance with respect to the improvement of biofiltration as sustainable technology to control odorous emissions. The application of the obtained results could contribute to mitigate various impacts (environmental, social, and occupational health) derived from the treatment of organic waste and to optimize the performance of biofiltration systems in terms of efficiency.