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CONSTRUCCIÓN DE UN BIOFILTRO PARA LA REMOCIÓN BIOLÓGICA DE
SULFURO DE HIDRÓGENO EN AIRE UTILIZANDO RESIDUOS DE Moringa
oleífera
BRISLEY YULIANA MORA TOLOZA
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, NATURALES Y AGROPECUARIAS
PROGRAMA DE MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL
BUCARAMANGA, COLOMBIA
2018
CONSTRUCCIÓN DE UN BIOFILTRO PARA LA REMOCIÓN BIOLÓGICA DE
SULFURO DE HIDRÓGENO EN AIRE UTILIZANDO RESIDUOS DE Moringa
oleífera
BRISLEY YULIANA MORA TOLOZA
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de
Microbióloga Industrial
DIRECTOR
GERMAN ALEXIS ZAFRA SIERRA
CODIRECTOR
CHRISTIAN ANDREI CHACÍN ZAMBRANO
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, NATURALES Y AGROPECUARIAS
PROGRAMA DE MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL
BUCARAMANGA, COLOMBIA
2018
AGRADECIMIENTOS
A mi familia por prestarme todo el apoyo incondicional para llevar a cabo este
proyecto. A mis profesores tutores German Zafra y Christian Chacín por instruirme
y aportarme los conocimientos necesarios para desarrollar con éxito mi proyecto de
grado. Al TecnoParque SENA nodo Bucaramanga, por el apoyo técnico.
Así mismo quiero agradecerle al semillero de investigación MICROMOL y
compañeros por brindarme el apoyo necesario culminar mi proyecto de grado.
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 11
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 13
3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 16
4. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 19
5. ESTADO DEL ARTE ....................................................................................... 33
6. HIPÓTESIS ..................................................................................................... 37
7. OBJETIVOS .................................................................................................... 38
8. METODOLOGÍA .............................................................................................. 39
8.1. Diseño del estudio .................................................................................... 39
8.2. Aislamiento de bacterias oxidadoras de azufre ........................................ 39
8.3. Pruebas de antagonismo microbiano y construcción del consorcio
oxidador de azufre .............................................................................................. 39
8.4. Preparación de material vegetal de Moringa oleífera e inmovilización de
consorcio microbiano .......................................................................................... 40
8.5. Construcción del biofiltro ........................................................................... 41
8.6. Realización de pruebas de desempeño del biofiltro.................................. 41
8.7. Cuantificación de H2S y pH ....................................................................... 42
8.8. Análisis estadístico ................................................................................... 43
8.9. Consideraciones éticas ............................................................................. 43
9. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................ 44
9.1. Microorganismos oxidadores de azufre .................................................... 44
9.2. Pruebas de antagonismo y construcción de consorcios microbianos ....... 47
9.3. Construcción y acondicionamiento del biofiltro ......................................... 49
9.4. Influencia de la concentración del gas y el tiempo sobre la eficiencia de
remoción de H2S ................................................................................................. 53
10. CONCLUSIONES ........................................................................................ 57
11. RECOMENDACIONES. ............................................................................... 58
12. REFERENCIAS............................................................................................ 59
13. ANEXOS ...................................................................................................... 62
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Estructura del sulfuro de hidrógeno ………………………..……..…………19
Figura 2. Diseño esquemático de un filtro de biotrickling……………….…………….23
Figura 3. Tipos de reactores arlift……………………………………….……………..27
Figura 4. Oxidación de compuestos reducidos de azufre…………..:….…………..31
Figura 5. Características morfológicas de aislados oxidadores de azufre obtenidos
en medio TS a partir de muestras de aguas residuales …….…….………………...44
Figura 6. Halos de inhibición en pruebas de antagonismo en agar nutritivo y agar
TS………………………………………………………………………….………………49
Figura 7. Esquema del biofiltro construido……………………………………………50
Figura 8. Fotografía del biofiltro construido ………….…………………….………...51
Figura 9. Componentes del biofiltro construido………………………………………52
Figura 10. Eficiencia de remoción del biofiltro bajo diferentes condiciones…….….54
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Ventajas y desventajas de la biofiltración …………………………………...26
Tabla 2 Características morfológicas de aislados oxidadores de azufre obtenidos a
partir de muestras de agua residual …………………………………………………...45
Tabla 3 Pruebas de antagonismo realizadas en agar nutritivo ………………….…47
Tabla 4 Pruebas de antagonismo realizadas en agar TS …………………………..48
Tabla 5 Eficiencia de remoción del biofiltro bajo diferentes condiciones ….…….....53
9
RESUMEN
TITULO: CONSTRUCCIÓN DE UN BIOFILTRO PARA LA REMOCIÓN BIOLÓGICA DE
SULFURO DE HIDRÓGENO EN AIRE UTILIZANDO RESIDUOS DE Moringa oleífera
Autores: Mora Toloza, Brisley Yuliana
Palabras claves: Biorremediación, sulfuro de hidrógeno, biofiltración, Moringa oleifera,
Airlift,
Descripción: El sulfuro de hidrogeno (H2S) es un gas incoloro, inflamable, toxico y
con un olor característico a "huevo podrido”, generado por la activación y reducción
del sulfato a sulfuros. Actualmente existen diversas metodologías, tanto químicas
como biológicas, que son utilizadas para la eliminación de este compuesto. Sin
embargo, las químicas o físico químicas transforman el contaminante a un
compuesto más tóxico y presentan un bajo rendimiento de remoción; es por ello que
se ha venido incursionando en tecnologías biológicas optimizadas para el
tratamiento o eliminación del H2S. Por lo anterior, el presente estudio tuvo como
objetivo desarrollar un biofiltro bifásico tipo airlift utilizando residuos de Moringa
oleífera como material inmovilizante bajo diferentes tiempos de retención y
concentraciones del contaminante.
El biofiltro fue eficiente para remover H2S en aire contaminado. La eficiencia de
remoción del biofiltro no se vio afectada por las concentraciones iniciales de H2S;
sin embargo, se evidenció una relación directa entre el tiempo de retención y el
porcentaje de remoción del gas con diferencias significativas entre 0 y 15 minutos y
0 y 30 minutos de retención, pero no entre 15 y 30 minutos. En conclusión, fue
posible construir un biofiltro eficiente para la remoción de H2S en aire. Los residuos
de las vainas de Moringa oleifera demostraron tener por sí solos un efecto de
retención y adsorción sobre el H2S presente en el aire contaminado; así mismo, el
biofiltro construido con residuos de Moringa oleífera fue eficiente para remover hasta
un 65% del H2S presente en corrientes de aire contaminadas.
10
ABSTRACT
TITULO: CONSTRUCTION OF A BIOFILTER FOR THE BIOLOGICAL REMOVAL OF
HIDROGEN SULFIDE IN AIR USING Moringa oleífera RESIDUES
Authors: Mora Toloza, Brisley Yuliana
Key words: Bioremediation, hydrogen sulfide, biofiltration, Moringa oleifera, airlift bioreactor
Description: Hydrogen sulfide (H2S) is a colorless, flammable, toxic gas with a
characteristic "rotten egg" odor, produced by the activation and reduction of sulfate
to sulfides. Currently, there are several chemical and biological methodologies, used
for the elimination of this compound. However, the chemical or physical strategies
typically transform the contaminant to a more toxic compounds and have a low
removal efficiency. This is why there is a need of optimizing the biological
technologies optimized for the treatment or elimination of H2S. Therefore, the
objective of the present study was to develop an airlift biphasic biofilter using
Moringa oleifera residues as an immobilizing material, under different retention times
and contaminant concentrations.
The biofilter was efficient to remove H2S in contaminated air. The biofilter removal
efficiency was not affected by the inlet H2S concentrations; however, a direct relation
was found between the retention time and gas removal with significant differences
between 0 and 15 minutes as well as 0 and 30 minutes, but not between 15 and 30
minutes retention. In conclusion, it was possible to build an efficient biofilter for the
removal of H2S in air. The residues of Moringa oleifera husks have shown on their
own a retention and adsorption effect on the H2S present in the contaminated air;
likewise, the biofilter built with Moringa oleifera residues was efficient to eliminate up
to 65% of the H2S present in polluted air currents.
.
11
1. INTRODUCCIÓN
La contaminación atmosférica es una de las problemáticas a nivel regional y mundial
más importante, cuyas causas son diversas y pueden deberse a efectos naturales
o por acción del hombre. Los impactos ambientales que provoca están relacionados
por ejemplo, con la lluvia acida, contaminación fotoquímica y el efecto invernadero
entre otros. Los contaminantes derivados del azufre, tales como como el sulfuro de
hidrógeno, óxidos de azufre y sulfato de amonio son responsables de una fracción
significativa de la contaminación atmosférica en el mundo. Los compuestos de
azufre en la atmósfera provienen tanto del entorno natural, como de las emisiones
contaminantes de tipo antropogénico. Una de las principales problemáticas que se
presentan en las plantas de tratamiento de aguas residuales es la generación de
malos olores, producido entre otros, por la liberación de sulfuro de hidrógeno. Este
gas se produce durante la degradación anaerobia de la materia orgánica en
reactores anaerobios tipo UASB y a partir de lodos activados anaerobios, por parte
de una variedad de organismos entre los cuales resaltan las bacterias sulfato
reductoras (Muñoz, 2007). A nivel local, la PTAR Rio Frio ubicada en el área
metropolitana de Bucaramanga libera 16,2 Kg de sulfuro de hidrógeno por hora.
Esto ha generado problemáticas a nivel ambiental y molestias en la salud humana.
Como solución a esta problemática, se han desarrollado diversas tecnologías para
tratar este tipo de gases, dentro de las cuales se encuentran la degradación físico
química, y la biorremediación mediante la oxidación biológica por microorganismos
sulfoxidantes inmovilizados en fases liquidas o solidas en diferentes tipos de
reactores (Restrepo, 2006). Los reactores más utilizados para biorremediar gases
son los tipo airlift; estos se caracterizan por ser eficientes en procesos que
involucran fases liquidas, sólidas y gaseosas, y además mantienen un ciclo de flujo
definido lo cual lo hace más eficiente para procesos biológicos. (MERCHUK &
GLUZ, 2015). Existen diversos materiales utilizados como fase sólida para
inmovilizar los microorganismos dentro de los cuales se encuentran la grava,
compost, carbón activado entre otros estos materiales deben proveerle nutrientes y
12
humedad a los microorganismos para su desarrollo y supervivencia. Actualmente la
planta oleaginosa Moringa oleífera ha sido estudiada y utilizada en procesos de
biorremediación tales como tratamiento de suelos contaminados con hidrocarburos,
y como floculante en plantas de tratamiento de aguas residuales, pero no se ha
estudiado el efecto que puede causar en la biorremediación de gases,
especialmente el sulfuro de hidrógeno. Las vainas de las semillas de esta planta
podrían utilizarse para la remoción de este gas como agente inmovilizante,
coagulante, deshidratante y suavizante, gracias a sus propiedades adsorbentes y
por su contenido de proteínas catiónicas.
Por lo anterior y buscando alternativas a las tecnologías actuales para la remoción
de sulfuro de hidrogeno en aire, en este trabajo se investigó el papel que podrían
tener los residuos de Moringa oleífera como material inmovilizante de
microorganismos oxidadores de compuestos azufrados tales como el sulfuro de
hidrógeno, mediante la construcción de un biofiltro de separación bifásica tipo airlift
con residuos agroindustriales de las vainas de la planta, para la remoción de sulfuro
de hidrógeno en aire.
13
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La digestión anaerobia es un proceso fermentativo llevado a cabo en el tratamiento
anaerobio de aguas residuales domesticas e industriales. Este proceso consiste en
la conversión de la materia orgánica a metano y CO2 por diversos grupos
bacterianos, dentro de los cuales resaltan las bacterias facultativas y anaerobias
estrictas. Las bacterias sulfato reductoras (BSR) hacen parte del grupo de
microrganismos anaerobios estrictos, los cuales por mineralización generan
subproductos (RODRÍGUEZ, 2016) potencialmente contaminantes que ocasionan
daños ambientales, olores ofensivos y molestias en comunidades aledañas (Viera
Lianys et al, 2015). Uno de estos subproductos es el sulfuro de hidrogeno (H2S) el
cual es generado por la activación y reducción del sulfato a sulfuros. Este gas es
incoloro, inflamable, toxico, con un olor característico a "huevo podrido", es más
pesado que el aire y puede acumularse en áreas bajas y cerradas, mal ventiladas,
tales como sótanos, pozos de inspección, tuberías de alcantarillado y bóvedas
subterráneas de teléfono y electricidad (OSHA, 2015). En Colombia, la normativa
vigente que establece los umbrales para las principales sustancias generadoras de
olores ofensivos en aire (resolución 601 de 2006, 2087 de 2014 y 154 de 2013)
(Ministerio de Ambiente y desarrollo territorial, 2006) determinan que el umbral para
el H2S es de 0.005 ppm o 7 μg/m3. Lo anterior ha generado la necesidad de tratar
el biogás generado en los tratamientos de agua residuales, de manera que se
elimine o reduzca la carga contaminante de estas sustancias en el aire.
El manejo y control de olores en las plantas de tratamiento de aguas residuales ha
adquirido gran importancia debido al crecimiento de la población, a la multiplicación
de las plantas de tratamiento en el ámbito nacional y a su cercanía con residencias
y centros de población debido a que este gas es altamente toxico y a mayor
concentración genera daños pulmonares e irritación, además de impactar
fuertemente en el medio ambiente. Existen metodologías que efectivamente puede
controlar la emisión del gas como son las biológicas y las fisicoquímicas, sin
14
embargo, el costo de inversión puede llegar a ser muy elevado o la efectividad del
tratamiento muy baja. En el área metropolitana de Bucaramanga se cuenta con una
planta de tratamiento de aguas residuales y domesticas (PTAR Rio frio), que como
subproducto de la digestión anaerobia tratamiento de las aguas residuales, genera
en su fase final gases tales como el metano, CO2 y H2S. Allí actualmente se aplican
sistemas fisicoquímicos, tales como el tratamiento con peróxido de hidrogeno,
desulfuración, incineración y tratamientos catalíticos (Miriam & Soto, 2016) que
funcionan como una solución limitada, ya que la remoción de estos gases no se da
totalmente y además funciona por un periodo de tiempo muy corto, lo cual a su vez
implica una inversión elevada de dinero y baja eficiencia en el sistema.
Los sistemas de tratamiento para la remoción de H2S, y en general para compuestos
que generen malos olores, pueden ser clasificados en fisicoquímicos y biológicos
sin embargo los procesos, fisicoquímicos suelen ser mucho más costosos y no
remueven la totalidad del contaminante en comparación de los procesos biológicos
(Morgan, Moiseev, & Robles, 2000), los cuales pueden llegar transformar los
contaminantes en sustancias no toxicas, con baja acumulación de subproductos o
desechos de difícil manejo y además tienen costos de operación bajos, debido
principalmente a la facilidad en el manejo de operación. En Colombia, la
introducción de procesos biológicos especialmente los sistemas de biofiltración de
gases ha sido lento y poco estudiado por tanto en una tecnología poco desarrollada
a nivel local nacional (Morgan, Moiseev, & Robles, 2000). Una gran variedad de
microorganismos pertenecientes a los géneros Thiobacillus, Thiotrix, Beggiatoa,
Bacillus, Pseudomonas y Arthrobacter, entre otros (Chaiprapat, Mardthing,
Kantachote, & Kamchanawong, 2011), pueden oxidar el sulfuro de hidrogeno en
azufre elemental (S0) o sulfatos (SO42-) que carecen de olor desagradable (Galicia,
2002). Estos microorganismos también pueden transformar compuestos
relacionados, tales como el tiosulfato y tetrationato, a sulfatos. Además del
microorganismo, los niveles de oxidación son dependientes de la concentración de
oxígeno. Por lo anterior, emplear especies de estos microorganismos en sistemas
15
de biofiltración resulta benéfico para la remoción eficaz y segura de este
contaminante a sub productos menos peligrosos y de fácil manejo.
Por otra parte, los sistemas para el tratamiento biológico del aire por filtración
requieren de fases sólidas compuestas por materiales porosos que funcionen como
soporte de los microorganismos oxidadores de H2S. Los materiales más
comúnmente utilizados son polímeros inertes tales como la espuma de poliuretano
(PUF), silicona, piedra pómez, bagazo de caña de azúcar, espuma de poliuretano
entre otros (Jiménez & Villegas, 2005). Aunque eficientes, estos materiales pueden
llegar a ser costosos y además de inmovilizar al microorganismo, no sirven como
fuente alterna de nutrientes para los mismos y ni como como agentes
inmovilizadores del mismo gas. Según estudios, la planta oleaginosa Moringa
oleífera produce y acumula algunas proteínas funcionales de alto valor con
capacidad coagulante, lo que posibilita su utilización en tratamientos de aguas
residuales (Sánchez et al.,2013) y en la remoción de hidrocarburos y compuestos
derivados por filtración (Castro, 2013). Ya que a partir del procesamiento de Moringa
oleífera se genera una proporción alta de residuos que son desechados y que son
potencialmente utilizables en otras aplicaciones, este trabajo busca desarrollar un
sistema de biofiltración de aire que use residuos de esta planta como soporte para
inmovilizar a los microorganismos oxidadores de H2S, teniendo como posibles
ventajas que la matriz ejerza un papel filtrante para la adsorción del H2S y que
además sirva como fuente alterna de nutrientes para los mismos. De esta manera
se busca construir un modelo de bajo costo, de fácil operación, versátil y que sea
eficiente para la remoción de H2S en aire.
Por lo anterior, en esta investigación se planteó la siguiente pregunta de
investigación: ¿Cuál es la eficiencia de un biofiltro construido con residuos de
Moringa oleífera para la remoción de sulfuro de hidrogeno en aire?
16
3. JUSTIFICACIÓN
Las plantas de tratamiento de aguas residuales son instalaciones de suma
importancia ya que contribuyen a la preservación del medio ambiente,
específicamente en la reutilización del agua. Sin embargo uno de los principales
problemas asociados con estas plantas y que en algunos casos ha sido
determinante para clausurarlas o no instalarlas es la generación de malos olores
producidos por la digestión anaerobia en la cual se lleva a cabo el tratamiento de
residuos sólidos y degradación de materia orgánica, lo que genera sub productos
tales como amoniaco, aminas, óxidos de sulfuro y sulfuro de hidrogeno, estos
gases son altamente tóxicos para el medio ambiente y comunidades aledañas
especialmente el sulfuro de hidrogeno el cual es un gas inflamable, con un olor
característico a "huevo podrido" producido como resultado del metabolismo de
bacterias sulfato reductoras. Fuente especificada no válida.. Éste, a mayor
concentración genera daños pulmonares e irritación, además de impactar
fuertemente en el medio ambiente, también es responsable de generar corrosión en
tuberías de acueductos e impactar de esta manera el olor y sabor del agua. En
Colombia, la normativa vigente que establece los umbrales para las principales
sustancias generadoras de olores ofensivos en aire (resolución 601 de 2006)
determina que el umbral para el H2S es de 0.005 ppm o 7 μg/m3. Por tanto, el
control de esta clase de emisiones cobra cada vez más importancia debido al gran
impacto que genera sobre las comunidades residenciales e industriales aledañas,
por lo cual la normatividad colombiana ha ido estableciendo mecanismos de manejo
y sanción que llevan a las plantas de tratamiento de aguas residuales a establecer
sistemas para su manejo y eliminación.Fuente especificada no válida.
Existen metodologías que efectivamente pueden controlar la emisión del gas como
son las biológicas y las fisicoquímicas más sin embargo los procesos,
fisicoquímicos suelen ser mucho más costosos y no remueven la totalidad del
contaminante en comparación con los procesos biológicos, tales como biofiltros y
17
biolavadores los cuales son más eficaces por sus múltiples ventajas entre ellas una
menor inversión monetaria, menores costos de operación y la poca generación de
residuos, (Morgan, Moiseev, & Robles, 2000). La biofiltración es un método de
biorremediación versátil , económico , simple y eficaz para una gran variedad de
compuestos tóxicos, esta técnica consiste en la utilización de un material orgánico
o inorgánico, que sirve de soporte físico y, en algunos casos, como fuente de
nutrientes para una población de microorganismos los más comúnmente utilizados
son polímeros inertes tales como la espuma de poliuretano (PUF), silicona, piedra
pómez, bagazo de caña de azúcar, espuma de poliuretano entre otros Fuente
especificada no válida. Aunque eficientes, estos materiales pueden llegar a ser
costosos y además de inmovilizar al microorganismo, no sirven como fuente alterna
de nutrientes para los mismos y ni como agentes inmovilizadores del mismo gas.
Según estudios, la planta oleaginosa Moringa oleífera es una planta ampliamente
utilizada en procesos de biorremediación dado que producen semillas las cuales
acumulan algunas proteínas funcionales de alto valor con capacidad coagulante, lo
que posibilita su utilización en tratamientos de aguas residuales y en la remoción
de hidrocarburos y compuestos derivados por filtración (Castro, 2013). Actualmente,
en el departamento de Santander se lleva a cabo la siembra y el procesamiento de
Moringa oleífera para diferentes usos industriales tales como la elaboración de
aceites corporales, cosméticos y cremas humectantes de lo cual se genera una
proporción alta de residuos que son desechados y que son potencialmente
utilizables en otras aplicaciones. Por otra parte existen una gran variedad de
microorganismos pertenecientes a los géneros Thiobacillus, Thiotrix, Beggiatoa,
Bacillus, Pseudomonas y Arthrobacter, entre otros (HURTADO & CARRASCAL,
2017) los cuales pueden oxidar en presencia de oxigeno el sulfuro de hidrogeno en
azufre elemental (S0) o sulfatos (SO42-) que carecen de olor desagradable (Márquez,
Revah, & Borgne, 2010). Estos microorganismos también pueden transformar
compuestos relacionados, tales como el tiosulfato y tetrationato, a sulfatos. Por lo
anterior, emplear especies de estos microorganismos en sistemas de biofiltración
18
resulta benéfico para la remoción eficaz y segura de este contaminante a
subproductos menos peligrosos y de fácil manejo.
Este trabajo busca desarrollar un sistema de biofiltración de aire que use residuos
de Moringa oleífera como soporte para inmovilizar a microorganismos oxidadores
de H2S, teniendo como posibles ventajas que la matriz ejerza un papel filtrante para
la adsorción del H2S y que además sirva como fuente alterna de nutrientes para los
mismos y de esta manera contribuir con un diseño sencillo y económico que le
permita a las plantas de tratamiento tener un control sobre este contaminante.
19
4. MARCO TEÓRICO
4.1. Sulfuro de hidrógeno y contaminación ambiental
El sulfuro de hidrógeno o ácido sulfhídrico (H2S) (Figura 1) es un gas producido a
partir de fuentes naturales o artificiales como lo son volcanes, ambientes
submarinos, pantanos aguas superficiales, estanques, yacimientos de petróleo y
gas natural; sin embargo, también se puede asociar la emisión de este gas con la
existencia de alcantarillas, plantas de tratamiento de agua residuales y en la
industria encargada de la producción de papel (Yang & Allen, 1994). No obstante,
la emisión más alta de este biogás se produce en las plantas de tratamiento de agua
residuales por bacterias sulfato reductoras durante un proceso totalmente
anaerobio, en el cual se reducen compuestos orgánicos que tienen sulfatos y se
descomponen proteínas que contienen aminoácidos tales como la cisteína y
metionina. (Morgan, Moiseev, & Robles, 2016 ) El pH influencia la formación de H2S
en aguas residuales domésticas, dado que a pH de 7 a 9 se encuentra en mayor
proporción el HS y a un pH de 5 a 7 se encuentra más concentrado el H2S (PÉREZ,
2015).
Figura 1. Estructura del sulfuro de hidrógeno
20
El H2S es un biogás inflamable y toxico para organismos vivos y plantas y es el
responsable del mal olor característico a huevo podrido, que a concentraciones
superiores a 10 ppm puede afectar la salud humana provocando irritaciones y
enfermedades pulmonares. Además, genera corrosión sobre tuberías en plantas de
tratamiento y potabilización de aguas residuales (Rattanapan & Boonsawang, 2009).
Algunas de sus características más importantes son las siguientes:
Formula química: H2S
Peso molecular: 34 g / mol
Punto de fusión: -85 °C
Punto de ebullición: -60 °C
Temperatura critica: 100 °C
Presión de vapor: 20 °C
Solubilidad en agua a 20 °C: 360 mg / l
En Colombia, la normativa vigente que determina el umbral de H2S en aire y
emisiones es la resolución 601 de 2006 del ministerio de ambiente. Esta dictamina
el umbral de emisión para el H2S es de 0.005 ppm o 7 μg/m3. Teniendo en cuenta
el cumplimiento de esta norma es que se propuso la construcción del biofiltro, con
el fin de contar con alternativas aplicables en el entorno local.
4.2. Tratamientos de remoción de sulfuro de hidrógeno
Existen diversas tecnologías ampliamente utilizadas en la remoción o eliminación de
H2S en aire. Estas tecnologías están clasificadas en dos grupos: físico químicas y
biológicas. Ambas se basan en la en la transferencia de contaminantes desde la
emisión de gases hacia un sólido (adsorción) o una fase líquida (absorción), la
mayoría de las veces seguida de una oxidación química o biológica del contaminante
(Torre & Fernández, 2004).
21
Dentro de los tratamientos fisicoquímicos, uno de los más utilizados son los
depuradores químicos en los cuales se transfiere el contaminante de una fase
gaseosa a una fase acuosa, la cual contiene un oxidante químico donde reaccionan
para eliminar la totalidad del contaminante (Viera, Muñoz, & Fernández, 2015) Esta
tecnología presenta una limitante, dado que el gas a tratar genera resistencia a la
transferencia de masa que se disolverá en la fase acuosa lo cual afecta el
rendimiento de depuración química del contaminante a tratar. Otro tratamiento es la
adsorción con carbón activado, en la cual por fuerzas intermoleculares las moléculas
contaminantes se eliminan de la emisión de gases al unirse físicamente con la
superficie de un adsorbente. Para este proceso es importante que los compuestos
tratados sean poco reactivos con el fin de que puedan quedar atrapados en la fase
absorbente dado que su principal desventaja es la constante caída de presión que
presenta el sistema. Por último, se utiliza la incineración como otra opción físico
química para el tratamiento de H2S; se basa en la oxidación completa de los
contaminantes a altas temperaturas en presencia de aire para formar principalmente
CO2, SO2 y H2O. El rendimiento de este proceso se ve fuertemente influenciado por
el tipo de gas, el caudal de emisión y su concentración. (Torre & Fernández, 2004).
Las técnicas biológicas para el tratamiento de aire contaminado se basan en la
oxidación enzimática de los contaminantes por microorganismos, específicamente
bacterias del azufre o sulfobacterias Estos mecanismos de oxidación se producen a
temperatura y presiones ambientales y en ausencia de productos químicos, es decir,
únicamente en presencia de agua y nutrientes para los microorganismos. La
oxidación biológica de contaminantes orgánicos o inorgánicos como H2S o NH3 se
basa en su uso como fuente de energía por los microorganismos en un biorreactor (
(Delhom, 2005). Para que este proceso se lleve a cabo es crucial la presencia de un
medio acuoso para apoyar todas las reacciones metabólicas y la disponibilidad de
macronutrientes (como fósforo, nitrógeno, azufre o potasio) y micronutrientes,
generalmente metales, pesados para la síntesis enzimática (Restrepo, 2006).
22
4.3. Biofiltración de gases
La biofiltración se ha utilizado ampliamente para el tratamiento de compuestos
orgánicos volátiles a partir de efluentes industriales y emisiones de CH4, así como
para la eliminación de malos olores en plantas de tratamiento de aguas residuales o
instalaciones de compostaje (Mancilla & Benítez, 2011). Se basa en la en la
biotransformación de contaminantes por una comunidad microbiana unida a un
material de empaquetado o lecho fijo, en presencia de agua estancada que rodea el
biofilm o biopelícula. La corriente de aire contaminado es forzada a pasar a través del
lecho fijo que alberga los microorganismos, mientras que el agua se suministra para
el mantenimiento de la humedad. Es decir, el contaminante debe difundirse desde la
emisión de gases al biofilm en donde tiene lugar la biodegradación, enfrentando una
resistencia a la transferencia de masa para ser transportado primero a la fase acuosa
que rodea el biofilm, y luego a la propia biopelícula (Mancilla & Benítez, 2011). .La
selección del material de empaquetado es un paramento clave que determina tanto
la eficiencia de eliminación, como la vida útil del biofiltro. Actualmente se encuentran
disponibles soportes inorgánicos y orgánicos para este fin; estos últimos proporcionan
una fuente de carbono adicional para mantener la actividad microbiana cuando se
trata de bajas concentraciones de carbono en la emisión de gases. Dentro de los
materiales inorgánicos, los más comúnmente utilizados son las cerámicas, el plástico,
la roca de lava o el carbón activado. Lo interesante de este tipo de tecnologías es que
no utilizan energía extra, es decir, que no sea propia de los microorganismos para
metabolizar una amplia gama de compuestos volátiles. Los materiales filtrantes tienen
que facilitar que el gas y el líquido fluya a través de la biopelícula, favorecer el
desarrollo de la microflora, y resistir aplastamiento y compactación. (Delhomenie &
Heitz, 2005).
Existen una gran variedad de biofiltros, dentro de los cuales el más comúnmente
utilizado es el filtro biotrickling. Éste consiste en una columna interna empacada con
un material de empaque inerte (generalmente anillos de plástico, resinas, material
cerámico, roca, etc.) al cual los microorganismos se unen (figura 2) (Ortiz, 2011). La
23
principal diferencia con otros biofiltros es la presencia de una solución nutritiva que
continuamente se recicla a través del lecho, los contaminantes se absorben
inicialmente en la película y luego se degradan por los microorganismos presentes
en la misma; la principal ventaja sobre este sistema de biofiltración es la capacidad
de controlar variables operativas clave, como el contenido de humedad, pH,
temperatura y concentración de nutrientes para los microorganismos (yang, janni, &
maier, 2016). Uno de los parámetros críticos en este tipo de procesos es la velocidad
de flujo y la velocidad de reciclaje de la fase líquida a través del lecho del filtro, por
ello, se debe mantener un suministro mínimo de agua y nutrientes para alcanzar un
mejor rendimiento. Uno de los mayores problemas que afecta directamente el
rendimiento del sistema es la acumulación de exceso de biomasa en el lecho
filtrante, lo que crea zonas anaerobias que impiden la degradación del
contaminante. Los productos de las reacciones biológicas en estos reactores son
esencialmente dióxido de carbono y agua, pero también pueden encontrarse
subproductos orgánicos como exopolímeros o inorgánicos como por ejemplo HCl.
(Delhomenie & Heitz, 2005) .
Figura 2. Diseño esquemático de un filtro de biotrickling (adaptado de Estrada et
al., 2012)
24
Los factores químicos, físicos y biológicos más importantes y que influyen en la
biofiltración son los siguientes:
1) El lecho filtrante constituye el eje central de la biofiltración, ya que proporciona el
apoyo para el crecimiento microbiano. Para ello, los lechos filtrantes deben
cumplir con las siguientes características: una alta área superficial específica
para favorecer el establecimiento y mantenimiento de la microflora y el
intercambio de gas entre el biofilm y el gas; una alta porosidad para promover la
distribución homogénea de gases a lo largo de la cama, además de una buena
capacidad de retención de agua para evitar la desecación; la presencia y
disponibilidad de nutrientes intrínsecos para mantener la microflora
acompañante.
2) La tasa de flujo tiene un impacto significativo en el rendimiento de la
biodegradación y la transferencia de difusión del contaminante de la fase
gaseosa a la biopelícula. Para cada sistema de biofiltración es diferente y
depende de las condiciones operativas, la concentración del gas contaminante,
el nivel de biodegradabilidad y los volúmenes de lecho disponible.
3) El tipo de contaminante, como se mencionó con anterioridad, afecta la eficacia
de la biofiltración. Por tal razón se deben tener en cuenta paramentos tales como
pH y contenido de humedad entre otros. La tasa de biodegradación está
relacionada con las cepas microbianas establecidas en el lecho filtrante, con la
concentración y la configuración química del gas teniendo en cuenta que existen
gases solubles y poco solubles. También es importante destacar que la
presencia de varios compuestos en mezcla del gas o contaminante crea
interferencia en los procesos metabólicos de degradación. (Kennes, Rene, &
Veiga, 2009).
El contenido de humedad en la fase solida del filtro es uno de los parámetros más
importantes a tener en cuenta dado que el agua es esencial para la supervivencia y
actividad microbiana; si el contenido de humedad es muy bajo se puede generar la
25
canalización del flujo del gas, que afecta directamente la microflora. Por el contrario,
un alto contenido de humedad causa una reducción en la superficie del lecho
filtrante y por tanto interferencia en el intercambio entre el gas y el biofilm, y a su
vez, un aumento en la caída de presión generando zonas anaerobias que afectan
el rendimiento del sistema. Para evitar esta problemática es necesario conservar
una humedad relativa del gas adecuada, y una buena capacidad de retención de
agua en el material filtrante. Por otra parte, es importante destacar que la intensidad
de la actividad microbiana en un biofiltro está relacionada con la temperatura de
funcionamiento. La mayoría de poblaciones microbianas que se desarrollan en
medios filtrantes son mesófilas, lo que implica que las temperaturas óptimas oscilan
entre 20 y 40 °C dependiendo del contaminante (Delhomenie & Heitz, 2005).
Los contaminantes introducidos en los biofiltros son las principales fuentes de
carbono y energía para la actividad microbiana. La disponibilidad de
macronutrientes y micronutrientes depende de tanto de las características de los
materiales filtrantes, como de la configuración del biofiltro. Por tal razón, la adición
constante de nutrientes es necesaria para mantener una actividad degradadora
satisfactoria. El pH tiene un efecto similar en los sistemas de biofiltración, ya que la
mayoría de los microorganismos presentes en biofiltros son neutrófilos y, por tanto,
su pH optimo es de crecimiento es de 7. Sin embargo, se pueden emplear
amortiguadores como carbonato cálcico, dolomitas y también es posible utilizar
soluciones nutritivas que contienen tampones de pH: Ca (OH), NaOH, NaHPO4,
NaHCO3 entre otros. Por otra parte los microorganismos son los catalizadores de
la biodegradación de los contaminantes, por tanto son esenciales para la operación
del bioproceso. Los más utilizados son heterótrofos, en su mayoría hongos y
bacterias, cuya inoculación en el lecho filtrante depende tanto de la naturaleza del
material, como del nivel de biodegradabilidad (Delhomenie & Heitz, 2005).
El diseño y aplicación de biofiltros a gran escala requiere del desarrollo de
herramientas para evaluar la influencia de los principales parámetros operacionales,
tales como la tasa de flujo, concentraciones, efectos de nutrientes, etc. Realizar
26
estudios a nivel de laboratorio proporciona resultados experimentales que
contribuyen a la comprensión de los mecanismos de biofiltración complejos y que
también apoyan el desarrollo de modelos de procesos, que a su vez son
herramientas muy útiles tanto para la extrapolación del rendimiento como para la
predicción de algunos resultados (Kennes, Rene, & Veiga, 2009). Algunas ventajas
y desventajas de la biofiltración se presentan en la tabla 1 (yang, janni, & maier,
2016).
Tabla 1. Ventajas y desventajas de la biofiltración
Ventajas Desventajas
Costos de inversión y operación muy bajos.
Difícil de moldear, requiere de trabajo experimental.
Flexible para diversos tipos de contaminantes
No aplica a compuestos biodegradables
Es una tecnología ambientalmente amigable.
A caudales muy grandes se requiere disponer de grandes áreas efectivas de biofiltración.
Muy eficiente para remover gases contaminantes como sulfuro de hidrógeno
Requiere de periodo de adaptación de los microorganismos a los contaminantes
4.4. Biorreactores tipo airlift
El término “airlift” hace referencia a un reactor de puente aéreo o de elevación de
aire, el cual es reconocido por ser eficiente en procesos que involucran fases
gaseosas, liquidas y sólidas y permiten la circulación de fluidos en un patrón cíclico
definido ((YOUNG & CHISTI, 1987). Este es originario de un reactor de columna de
burbujas (BCR) que está constituido por un recipiente cilíndrico con un distribuidor
de gas en la parte inferior o superior. Los reactores tipo airlift manejan un flujo cíclico
definido, lo cual alivia la turbulencia aleatoria haciéndose más adecuado para
procesos biológicos. Estos biorreactores tienen en su estructura cuatro
27
compartimientos distintos: el tubo ascendente, el tubo descendente, el espacio libre
inferior y el separador de gases en la parte superior. Es importante destacar que, al
contar con distintos compartimentos, un biorreactor airlift puede incorporar fases
sólidas en su columna interna y de esta manera, convertirse en un biorreactor
bifásico sólido-líquido. La fase sólida puede actuar como lecho fijo en donde se
pueden inmovilizar microorganismos y de esta manera, actúa como un biofiltro.
Dependiendo de la posición del burbujeador de gas, los biorreactores tipo airlift se
clasifican en tipo ascendente o de tipo descendente. También se clasifican
dependiendo de su estructura; algunos presentan bucles externos en los que la
circulación de aire se realiza a través de conductos separados y distintos y los que
presentan vaso deflector (figura 3). Este sistema crea canales requeridos para una
circulación de dispersión cíclica utilizando deflectores apropiados, todos los
reactores ya sea de tipo bucle o vaso deflector comprenden cuatro secciones
distintas con características de flujo diferentes (C & H, 1987).
Figura 3. Tipos de reactores arlift. Tomado de (YOUNG & CHISTI, 1987)
28
Los reactores arlift de flujo descendente presentan las entradas de la fase liquida y
el burbujeo del gas en la parte superior del reactor, lo que hace que los requisitos
de energía para el reactor de flujo descendente sean relativamente altos y su
aplicación limitada. Los reactores de flujo ascendente se clasifican dependiendo de
si el tubo descendente está separado del reactor o no. La ventaja de este sistema
es la velocidad de circulación del líquido y la mejora de la mezcla, además su diseño
es simple, lo que hace que sea más económico en su construcción y operación. La
característica principal de los reactores de elevación de aire es la dinámica de
fluidos en cada una de las secciones del reactor. Estos diseños se pueden modificar
dependiendo del tamaño de las burbujas, de los caudales de las fases y del fluido a
tratar. La simplicidad de su diseño y construcción además de su bajo costo lo hace
ser una alternativa viable para procesos como fermentaciones aerobias, tratamiento
de aguas residuales y otras operaciones similares (CHISTI & YOUNG, 2016).
Componen un biorreactor airlift:
1) Tubo de subida o riser: El gas se inyecta en la parte inferior de esta sección el
flujo de aire tiene una dirección hacia arriba del reactor
2) Bajante. Esta sección, que es paralela a la riser, está conectado al elevador en
la parte inferior y en la parte superior, estas zonas de conexión pueden tener
diferentes formas, la recirculación del aire se lleva a cabo en sentido
descendente en esta parte del reactor.
3) Base: Es la zona de conexión entre el riser y el bajante, el diseño de esta
sección puede influir en la velocidad del líquido y el flujo de la fase sólida.
4) El separador de gas: es la parte superior del reactor que conecta el tubo
ascendente con el tubo descendente esta conexión permite la recirculación de
líquido y el gas. Las configuraciones de flujo son diferentes en cada sección del
reactor de elevación de aire y tienen una profunda influencia en su
comportamiento general.
29
Los reactores tipo arlift no necesitan ningún mecanismo de agitación mecánica para
mezclar, ya que la turbulencia causada por el flujo del fluido asegura una mezcla
adecuada del líquido con el gas. Así mismo, el tubo de aspiración se adecua en la
sección central del reactor por el cual se introduce la mezcla (gas-liquido)
provocando un movimiento ascendente, las velocidades de aire/ liquido son bajas y
por tanto el consumo de energía también es bajo, es importante destacar que en
este tipo de reactores se pueden utilizar células tanto libres como inmovilizadas
además de ser ideal para cultivos aerobios ya que el coeficiente de transferencia de
masa de oxígeno es bastante alto. Las bombas de aire son de suma importancia en
el funcionamiento del reactor ya que inyecta el aire comprimido en la parte inferior
de la tubería de descarga. El aire comprimido se mezcla con el líquido haciendo que
la mezcla aire-agua sea menos densa que el resto del líquido que lo rodea y, por lo
tanto, se desplaza hacia arriba a través del tubo de descarga por el líquido
circundante de mayor densidad.
4.5. Bacterias oxidadoras de azufre
Las bacterias oxidadoras de azufre son microorganismos quimiolitótrofos capaces
de llevar a cabo procesos de oxidación de compuestos azufrados tales como
tiosulfato, sulfuro de hidrogeno y tetrationato. Pueden desarrollarse en una gran
variedad de ambientes acidófilos, neutrófilos y alcalófilos. La oxidación del azufre
es un proceso vital en el ciclo biogeoquímico del mismo elemento, además de tener
importancia a nivel ambiental e industrial en el tratamiento de la contaminación por
compuestos de azufre, en corrosión y en minería. (Márquez, Revah, & Borgne,
2010).
Los microorganismos oxidadores de azufre son filogenéticamente muy diversos y
pueden ser tanto aerobios como anaerobios. Dentro del grupo de las bacterias
aerobias oxidadoras de azufre, figuran especies de los géneros Acidianus,
Acidithiobacillus, Aquaspirilum, Aquifex, Bacillus, Beggiatoa, Methylobacterium,
30
Paracoccus, Pseudomonas, Starkeya, Sulfolobus, Thermithiobacillus, Thiobacillus
y Xanthobacter. Dentro de las bacterias anaerobias oxidadoras de azufre, figuran
especies de los géneros Allochromatium, Chlorobium, Rhodobacter,
Rhodopseudomonas, Rhodovulum y Thiocapsa (Márquez, Revah, & Borgne, 2010)
. Estos microorganismos obtienen su energía a partir de la oxidación de donadores
de electrones inorgánicos y fijan el CO2 por el ciclo de Calvin y se encuentran en
ambientes ricos en H2S como manantiales sulfurosos, lechos de algas en
putrefacción, chimeneas hidrotermales y sedimentos sulfurados de agua dulce,
entre otros. Los compuestos más utilizados como fuente de energía son el H2S, el
azufre elemental (S0) y el tiosulfato (S2O32-) (HURTADO & CARRASCAL, 2017). En
la mayor parte de los casos el producto final de la oxidación del azufre es el sulfato
(SO42-).
El proceso de oxidación de H2S, involucra varias etapas (figura 4). La primera es la
oxidación del compuesto más reducido, el H2S, a azufre elemental. Este paso libera
iones H+, que originan un descenso del pH y una acidificación del medio. El ácido
formado por las bacterias oxidadoras del azufre es el ácido sulfúrico (H2SO4). El
azufre elemental es posteriormente oxidado a sulfito, lo cual libera seis electrones.
El sulfito es luego oxidado a sulfato por un de dos vías; la primera involucra la
enzima sulfito oxidasa, que transfiere electrones directamente al citocromo c. El ATP
es sintetizado durante reacciones subsecuentes de transporte de electrones
acopladas a la formación de una fuerza protón-motriz, por fosforilación oxidativa.
Por otra parte, algunos microorganismos oxidan sulfito a sulfato a través de la
enzima adenosin fosfosulfato reductasa (APR). Esta reacción se acopla a una
fosforilación a nivel de sustrato, que produce un ADP a partir de AMP. Existen
bacterias quimiolitótrofas oxidadoras de azufre que requieren de materia orgánica
como fuente de carbono, estas bacterias se conocen como mixótrofas las cuales
utilizan H2S como fuente de energía y un compuesto orgánico como fuente de
carbono.
31
Figura 4. Oxidación de compuestos reducidos de azufre. Tomado de Madigan,
(2000).
4.6. Moringa oleífera
Moringa oleifera es la especie más cultivada de una familia monogenérica, la familia
Moringaceae, encontrada sobre todo en regiones de India, Pakistán, Bangladesh y
Afganistán. Este es un árbol de crecimiento rápido (también conocido como el árbol
del rábano picante, el árbol de la pala, el árbol de la vida o árbol de aceite de Ben)
y ahora es ampliamente cultivado en muchos lugares en el trópico (Mangale et al.,
2012). Es comúnmente referido como el árbol milagroso debido a los usos
polivalentes de las partes de la planta. Los granos de semilla de Moringa oleifera
32
contienen una cantidad significativa de aceite que se conoce comercialmente como
aceite de Ben o aceite de Behen, el cual es rico en tocoferoles (Anwar et al., 2007).
Las hojas son muy ricas en proteínas, vitaminas, minerales, mientras que las raíces
y otras partes se utilizan en medicina tradicional. Su vaina se puede utilizar para la
fabricación de carbón activado. La torta desgrasada (residuo de la semilla después
de la extracción del aceite) puede utilizarse como fertilizante o transformarse para
la alimentación animal (Ganatra et al., 2012). Las semillas de Moringa oleifera son
redondas (1 cm de diámetro) con un casco de semilla semipermeable parduzco, con
3 alas. Las cáscaras de la semilla son de color pardo a negro, pero pueden ser
blancas si los granos son de baja viabilidad. Cada árbol puede producir alrededor
de 15,000 a 25,000 semillas / año. El peso medio es de 0,3 g / semilla. La relación
núcleo / cáscara es 75/257 (Ganatra et al., 2012). A nivel ambiental, la parte más
importante utilizada para el tratamiento de agua es el producto de desecho de la
semilla, es decir, la torta desgrasada que se puede obtener a un costo muy bajo. El
extracto crudo de semilla de Moringa oleifera se utiliza comúnmente en el
tratamiento y purificación del agua (Marquetotti et al., 2010). Estudios previos han
demostrado la utilidad de la semilla para el tratamiento del agua residual.
Investigaciones anteriores han revelado su capacidad para tratar agua con tratar
alta, media y baja turbidez. También puede usarse como un agente suavizante, así
como como un agente de deshidratación. Cuando Moringa oleifera se compara con
los coagulantes químicos convencionales, tiene ventajas tales como rentabilidad,
disponibilidad, biodegradación y bajo volumen de lodo, no produce subproductos
dañinos, es fácil de manejar, es corrosiva y no afecta al pH del agua. Además está
disponible a bajo costo, lo cual puede ser una buena alternativa a los coagulantes
químicos con una posible aplicación en el tratamiento del agua en los países en
desarrollo.
33
5. ESTADO DEL ARTE
A nivel internacional existe un gran número de estudios con el objetivo de
implementar sistemas de tratamiento de aire para la eliminación de H2S. Una
característica común de los sistemas descritos es que son sistemas generalmente
costosos, que implementan tecnología avanzada y están dirigidos a plantas de
tratamiento de aguas residuales o empresas que generan desechos gaseosos con
olores ofensivos. La biofiltración ha surgido como una nueva tecnología en las
últimas dos décadas en el tratamiento de compuestos orgánicos e inorgánicos
volátiles especialmente gases como el ácido sulfhídrico, investigadores como
Chung et al 2010 sugieren que los biofiltros de lecho fijo presentan un rendimiento
del 90 a 95 % a corto plazo dado que los materiales utilizados para inmovilizar los
microorganismos son de poca porosidad y no contienen suficientes nutrientes para
facilitar el desarrollo y supervivencia de los mismos sin embargo consideran esta
tecnología como una de las más económicas para tratar grandes flujos de aire y
sugieren investigar alternativas en materiales filtrantes que permitan el desarrollo y
proliferación de los microorganismos y la acumulación del gas en la fase porosa
para así alcanzar rendimientos eliminación a largo plazo. En el contexto local
(Bucaramanga), en la actualidad la planta de tratamiento de aguas residuales
(PTAR Rio frio) que funciona en el área metropolitana de Bucaramanga no hace uso
de estas tecnologías y el gas producido como consecuencia del tratamiento de
aguas residuales (principalmente metano, CO2 y H2S) es quemado o emitido
directamente a la atmosfera, si bien la normativa vigente (resolución 601 de 2006)
determina que el umbral para el H2S es de 0.005 ppm o 7 μg/m3.
Los sistemas de biofiltración de aire contaminado funcionan mediante la inyección
del mismo a través de matrices sólidas o líquidas conteniendo los microorganismos
oxidadores de H2S, los cuales oxidar el sulfuro en azufre elemental o sulfatos que
no tienen olor desagradable. Dentro de nuestra búsqueda de antecedentes, no
encontramos empresas a nivel nacional que construyan u ofrezcan este tipo de
34
sistemas para la venta, aunque a nivel internacional si existen empresas
especializadas en este campo. Algunas de ellas son las siguientes:
Stoerk Uumwelttechnik GmbH (Alemania)
o Belflor® H2S-Bio-Scrubber with biofilter (patentado)
o http://www.stoerk-umwelttechnik.de/en/scrubbers/h2s-
bioscrubbers.html
Evoqua Technologies (USA)
o WHISPER biofilter system
o http://www.evoqua.com/en/brands/municipal-
services/Product%20Information%20Library/MS-Whisper-biofilter-
DS.pdf
ANUA (USA)
o https://anuainternational.com/products/clean-air/
Likusta Gmbh (Alemania)
o http://www.likusta.com/index.php?id=41&L=2
Si bien no se manifiesta específicamente por algunos de los anteriores fabricantes,
es de esperar que todas estas tecnologías y equipos están registrados o patentados
en sus respectivos países de origen o a nivel internacional. Por otra parte, en la
literatura se encuentran más patentes sobre diferentes equipos diseñados para la
biofiltración de H2S. Algunas de esas patentes son las siguientes:
Process and biofilter system for H2S removal from a H2S contaminated energy
production gas stream containing methane and use of such a biofilter system.
EP 3046657 A1. http://google.com/patents/EP3046657A1?cl=it
35
Biofilter media and systems and methods of using same to remove odour
causing compounds from waste gas streams. US 20080085547 A1.
https://www.google.com.au/patents/US20080085547
Downflow Biofiltration of Hydrogen Sulfide-Containing Gas. US 20080245232
A1. http://www.google.ch/patents/US20080245232
H2S Removal from Contaminated Gases. US 20120264197 A1.
https://www.google.ch/patents/US20120264197
Otras patentes relacionadas con el desarrollo de este proyecto son las siguientes:
Método de preparación de partículas porosas de Moringa oleífera así como
filtros de cigarrillos conteniendo partículas porosas. (Porous Moringa oleifera
particles, preparation method of porous Moringa oleifera particles as well as
cigarette filter stick containing porous particles).
http://documents.allpatents.com/l/52682487/CN104687246A
Removal of CO2 and/or H2S and/or COS from gases containing these
constituents. US 4336233 A. https://www.google.com/patents/US4336233
Sin embargo, ya que gran cantidad de estudios de investigación básica divulgan sus
resultados abiertamente en publicaciones científicas, es posible su utilización y/o
adaptación para el propósito de este proyecto.
Productos Sustitutos
Como sustituto a los biofiltros para remover el H2S del aire se encuentran las
tecnologías físicas o químicas, tales como reducción con óxidos de hierro y zinc,
desulfuración, incineración, precipitación con sólidos alcalinos, oxidación química e
inyección de ozono, entre otros. Algunos de estos métodos requieren un alto
36
consumo de energía, pueden ser menos eficientes y más costosos que los métodos
biológicos.
Adelantos Tecnológicos
Las investigaciones previas en cuanto a los microorganismos involucrados en el
proceso, así como los adelantos en cuanto al diseño y la construcción de los
sistemas de filtración, son los que dan sustento a la presente propuesta.
Particularmente, el diseño de un biofiltro de dos fases sólido-líquido reportado por
Littlejohns y colaboradores (2001), el cual se mostró útil para el tratamiento de gases
derivados de hidrocarburos volátiles. Para esta investigación se utilizaron como
base estos diseños, que son de libre acceso, y se adaptaron para su utilización con
material vegetal derivado de Moringa oleifera, para la eliminación de H2S en aire.
Por otra parte, se ha reportado también que el material vegetal de las vainas y
cáscaras de Moringa oleífera son porosos y poseen una superficie suficiente (0.57
cm3 g−1) (Kebreab et al., 2005; Pollard 1995) para la aplicación que se busca en
este trabajo, que es la de inmovilizar los microorganismos que harán funcionar el
biofiltro. Utilizando este conocimiento y adelantos tecnológicos se espera desarrollar
más rápidamente el producto y obtener los resultados deseados.
37
6. HIPÓTESIS
La eficiencia de remoción de sulfuro de hidrogeno en aire utilizando un sistema de
filtración construido con residuos de Moringa oleífera y microorganismos nativos
oxidadores de azufre es superior al 50% al utilizar tiempos de retención menores de
30 minutos.
38
7. OBJETIVOS
Objetivo general
Desarrollar un biofiltro de separación bifásica con residuos de Moringa oleífera para
la remoción biológica de sulfuro de hidrogeno en aire.
Objetivos específicos
Construir un consorcio microbiano con potencial para utilizar sulfuro de
hidrógeno como fuente de energía.
Construir un biofiltro bifásico solido-líquido para la remoción de sulfuro de
hidrógeno en aire, empleando residuos de Moringa oleifera como fase sólida.
Determinar el efecto de la concentración inicial de sulfuro y el tiempo de
retención sobre la eficiencia de remoción del filtro.
39
8. METODOLOGÍA
8.1. Diseño del estudio
Estudio descriptivo de tipo experimental
8.2. Aislamiento de bacterias oxidadoras de azufre
El aislamiento de bacterias nativas oxidadoras de H2S se llevó a cabo de acuerdo a
la metodología descrita por Chen et al (2004), usando el medio TS (g/L: K2HPO4,
1.5; KH2PO4, 1.5; NH4Cl, 0.4; MgCl2, 0.8; CaCl2.2H2O, 0.1; Na2S2O3.5H2O, 10) que
contiene tiosulfato de sodio como única fuente de energía, a partir de una muestra
de agua derivada de un proceso de tratamiento de aguas residuales;
específicamente, una muestra proveniente de la laguna facultativa de la planta de
tratamiento de aguas residuales PTAR Riofrio. Se inocularon 40 ml de muestra en
360 ml de medio TS y se incubó por 8 días a 30°C y agitación constante a 160 rpm.
El proceso se repitió dos veces y se monitoreó el pH para detectar cambios en la
acidez. Después de un descenso marcado del pH del medio, se sembró por
agotamiento en placas de medio TS para separar y purificar los aislados. Se
seleccionaron aislados con morfotipos diferentes, los cuales fueron conservados en
refrigeración hasta su posterior uso. Para establecer que los aislados tenían
capacidad oxidadora de azufre, se realizaron en posteriores estudios análisis de
biología molecular para determinar que la especie aislada.
8.3. Pruebas de antagonismo microbiano y construcción del consorcio
oxidador de azufre
Una vez obtenidos los aislados bacterianos puros, se llevaron a cabo pruebas de
antagonismo bacteria-bacteria en placas de agar TS y agar nutritivo, con el fin de
determinar su compatibilidad para conformar consorcios microbianos oxidadores de
compuestos azufrados. Estas pruebas y la construcción del consorcio oxidador de
azufre se llevaron a cabo según la metodología previamente descrita por Zafra et al
40
(2017), usando cultivos en superficie en placa. Para ello, 6x107 UFC de cada uno
de los aislados se sembró de forma masiva sobre la superficie del agar nutritivo o
TS y se dejó secar por 15 minutos. Posteriormente, se sembraron 6x106 UFC de
cada uno de los otros aislados en forma de gota y se dejó secar por 30 minutos. Se
incubó a 30°C por 48 horas en el caso del agar nutritivo, o hasta que se evidenciara
el crecimiento de todos los microorganismos en las placas. Los halos de inhibición
se midieron y fotografiaron. Únicamente los microorganismos que no presentaron
reacciones antagónicas fueron tenidos en cuenta para la formulación del consorcio
final. Para la formulación final, cada aislado fue cultivado de manera independiente
y mezclado en proporciones iguales en el inóculo final (por ejemplo, 1:1:1).
8.4. Preparación de material vegetal de Moringa oleífera e inmovilización
de consorcio microbiano
El material vegetal que se utilizó como lecho fijo en el biofiltro fueron residuos de las
vainas de las semillas de Moringa oleífera, que se generan como residuos a partir
del procesamiento de la semilla para la extracción de aceite. Este material fue
secado a 40 °C por 6 horas, fragmentado mecánicamente con un molino eléctrico
Black & Decker y tamizado con un tamiz con tamaño de abertura de 4 mm antes de
su uso como fase filtrante y matriz de inmovilización del consorcio. La inmovilización
del consorcio sobre los residuos de Moringa oleífera se realizó por inoculación en
botellas de vidrio estériles de 1 litro hasta alcanzar una densidad de
aproximadamente 1x108 U.F.C. del consorcio por gramo de residuo sólido. Para
ello, se realizó una aspersión de 20 ml de una solución conteniendo el consorcio
microbiano a una concentración de 5x108 U.F.C/ml por cada 100 gr del material
fragmentado de Moringa oleífera. Se mezcló con una varilla de vidrio estéril y se
incubó a 30 °C por 48 horas para permitir la adhesión de los microorganismos a la
matriz vegetal. Posteriormente este material fue utilizado para empaquetar la
columna interna del biofiltro.
41
8.5. Construcción del biofiltro
El diseño y disposición general del biofiltro consistió en un reactor airlift con un
sistema bifásico sólido-líquido basado en el diseño descrito por Littlejohns et al.,
(2009) para el tratamiento de aire contaminado con BTEX. El sistema fue construido
con materiales de fácil acceso y bajo precio, tales como el vidrio, PVC y
polipropileno. Las especificaciones finales del dispositivo se basaron en el cálculo
de parámetros tales como diámetro del tanque (Dt), altura de trabajo (Ht), altura de
la columna interna o tubo draft (Hd), volumen de trabajo y coeficiente de
transferencia de masa (kLa) de acuerdo a las siguientes fórmulas:
Diámetro del tanque: 𝐷𝑡 = 𝐻𝑡. 0,25
Altura de trabajo: 𝐻𝑡 =𝐷𝑡
0. 0,25
Altura de la columna interna (tubo draft): 𝐻𝑑 = 0,66. 𝐻𝑡
Volumen de trabajo: 𝑉 = 𝜋. 𝑟2. 𝐴
Coeficiente de transferencia de masa: kLa=15,8 h-1
Coeficiente de variación (caudal) = 3,75.
Para el cálculo del kLa se utilizó una solución de sullfito de sodio 1N, una solución
1 mM de ion Cu, reactivo de yodo, tiosulfato de sodio y almidón como indicador.
8.6. Realización de pruebas de desempeño del biofiltro
Para evaluar el desempeño del biofiltro se tomaron como variables independientes
2 diferentes concentraciones de entrada de H2S y 3 diferentes tiempos de retención
del gas en el biofiltro. Así, las variables dependientes fueron la eficiencia de
remoción de H2S y el pH de la fase líquida del biofiltro después de cada tratamiento.
En primer lugar, se realizaron preparaciones de gas conteniendo H2S a diferentes
concentraciones. Para esto, se utilizó el método de síntesis química de acuerdo a
la siguiente reacción (Jones, Clemmet & Higton1999):
42
Fe2S (s) + HCl (aq) → H2S (g) + FeCl2 (aq)
Se utilizaron aproximadamente 5 mg y 10 mg de Fe2S, el cual fue tratado con 1 ml
de HCl 1M. Después de aproximadamente un minuto, el H2S fue cuantificado y el
gas resultante (conteniendo una mezcla de H2S, O2 y CO2) (Alyea, 1969) fue
alimentado al biofiltro. Una vez alimentado, se evaluó la influencia de los tiempos
de retención 0 minutos, 15 minutos y 30 minutos sobre la capacidad de remoción
de H2S. Se realizaron mediciones del H2S en el aire entrante y saliente del biofiltro,
así como mediciones de pH de la fase líquida, según lo descrito a continuación.
8.7. Cuantificación de H2S y pH
Se cuantificó la concentración de H2S en el gas entrante y saliente a partir de
muestras de 100 cm3 de gas tomadas antes y después del tratamiento en el sistema
de filtración, utilizando un sensor electroquímico BW CLIP H2S (Honeywell
Analytics) con un rango de detección de 0 a 100 ppm. La medición del pH se tomó
directamente a partir de la fase líquida al finalizar cada tratamiento, con un pHmetro
convencional (Thermo Scientific). Todas las mediciones fueron tomadas por
triplicado.
La eficiencia de remoción (ER) se determinó de acuerdo a la siguiente ecuación:
𝐸𝑅 =Cg entrada − Cg salida
Cg entrada 𝑥 100
Donde:
Cg entrada = Concentración del gas de entrada del sistema
Cg salida= Concentración del gas de salida del sistema
43
8.8. Análisis estadístico
Para cada uno de los tratamientos se realizó un análisis de varianza (ANOVA) de
los valores de H2S obtenidos con relación a la concentración del gas, los tiempos
de retención y flujos de entrada de aire. La comparación de medias de los
tratamientos y el test de comparaciones múltiples se realizó con la prueba de Tukey
(Ramos, Bucio, Bautista, Aranda & Izquierdo, 2009), en el programa SPSS v19
(IBM).
8.9. Consideraciones éticas
El desarrollo de la presente propuesta de investigación no implicó la obtención de
muestras u otro elemento derivado de humanos o animales, ni ensayos clínicos.
Este estudio no vinculó sujetos, ni realizó colecta de muestras clínicas o biológicas;
por tanto, se puede considerar como una investigación de bajo riesgo para la salud
humana, conforme al artículo 11 de la resolución 008430 de 1993. Todos los
ensayos se realizaron a nivel de laboratorio, a escala in vitro. Los laboratorios donde
se manipularon los microrganismos contaban con infraestructura física adecuada
en cuanto a separación y especialidad de áreas; los equipos disponibles son los
requeridos de acuerdo a la seguridad biológica requerida, según el capítulo I, título
IV, resolución 008430 de 1993. Los análisis de laboratorio planteados en esta
propuesta contemplaron el aislamiento de microorganismos ambientales a partir de
muestras de agua de la planta de tratamiento de aguas residuales Riofrio (Girón),
actividad que se encuentra cobijada en el convenio marco de asociación No. 10816-
16 suscrito entre la CDMB y la UDES para la colecta de material biológico en el área
de jurisdicción de la misma. Se siguieron los lineamientos del plan de gestión
integral de residuos hospitalarios y similares de la oficina UDES verde, así como lo
contemplado en el reglamento de laboratorio versión 01 del 23 de octubre de 2017
de la UDES.
44
9. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
9.1. Microorganismos oxidadores de azufre
A partir de una muestra de agua de la laguna facultativa de la planta de tratamiento
de aguas residuales PTAR Riofrio, fue posible aislar diferentes microorganismos
oxidadores de azufre. Después de un descenso marcado del pH del medio TS hasta
2, indicativo de la producción de ácido sulfúrico, se purificaron y caracterizaron
microscópicamente 8 aislados con morfotipos diferentes los cuales fueron bacilos
Gram negativos y Gram positivos compatibles morfológicamente con bacterias de
los géneros Thiobacillus y Bacillus (tabla 2, figura 5).
Figura 5. Características morfológicas de aislados oxidadores de azufre obtenidos
en medio TS a partir de muestras de aguas residuales. A) Morfología macroscópica
de las colonias de aislados S06 y S07. B) Morfología microscópica por tinción de
Gram.
45
Tabla 2. Características morfológicas de aislados oxidadores de azufre obtenidos a
partir de muestras de agua residual
Aislado Tinción
Gram Características macroscópicas (Colonias)
Características
microscópicas
S01 Positiva
Colonias redondas blancas color mate
redondas con borde definido, de crecimiento
lento
Bacilos largos no
esporulados
S02 Positiva Colonia blanca redonda con borde definido, de
crecimiento lento
Cocobacilos
pequeños
S03 Positiva Colonias color translucidas redondas con
borde irregular, de crecimiento lento
Cocobacilos
pequeños
S04 Positiva Colonias translucidas redondas con borde
regular pequeñas, de crecimiento rápido
Bacilos cortos no
esporulados
S06 Positiva
Colonias translucidas redondas con un halo
blanco alrededor de la colonia, de crecimiento
rápido
Cocobacilos cortos
S07 Negativa Colonias blanco mate redondas con un halo en
la colonia color amarillo, de crecimiento rápido
Bacilos cortos no
esporulados
S08 Negativa Colonias blanca redonda con textura granulosa
y borde definido, de crecimiento rápido
Bacilos cortos no
esporulados
S09 Negativa Colonia blanca redonda con borde definido, de
crecimiento rápido
Bacilos largos no
esporulados
Una vez purificados, se encontró que los ochos aislados obtenidos mostraron la
capacidad de crecer en medio con tiosulfato de sodio como única fuente de energía
y fijando el carbono de manera inorgánica a partir del CO2, ya que el medio TS
utilizado para su cultivo no fue suplementado con fuentes de carbono orgánicas o
inorgánicas. Además, los ocho aislados fueron capaces de crecer en agar nutritivo,
mostrando así la capacidad de utilizar compuestos orgánicos como fuente de
carbono y energía. Con base en lo anterior, se sugiere que estos aislados podrían
46
presentar un metabolismo mixotrófico al poder obtener energía y carbono a partir
de compuestos orgánicos e inorgánicos de manera independiente.
Posteriormente y de manera preliminar, resultados adicionales de biología
molecular permitieron definir que los aislados corresponden a los géneros Bacillus
(aislados S01, S02, S03, S04 y S06), Thiomonas (aislados S07 y S08) y Dyella
(aislado S09). Según lo anterior, el aislado S09 correspondería probablemente a la
especie Dyella thiooxydans, teniendo en cuenta que es la única especie de este
género microbiano capaz de oxidar tiosulfato de sodio (Anandham et al., 2011).
Dyella thiooxydans es una bacteria Gram negativa aeróbica, móvil, en forma de
bastón, oxidadora de tiosulfato. Crece en presencia de compuestos reducidos de
azufre y posee capacidad mixotrófica dado que puede crecer quimio-
organotróficamente en medios nutritivo, agar Luria-Bertani y agar tripticasa soya
(Anandham et al., 2011). Por otra parte, las colonias de esta bacteria en agar
tiosulfato y nutritivo se caracterizan por ser blancas, redondas y con márgenes
claros lo cual concuerda con lo observado en el presente estudio según se evidencia
en la tabla 2. Por otra parte, algunas especies de Bacillus, especialmente Bacillus
subtilis y Bacillus cereus son microorganismos capaces de crecer a expensas de
compuestos azufrados como tiosulfato, sulfuro de hidrogeno y tetraniotato (Kelly
1989; Pérez-Ibarra 2007; Xia 2017). De la misma forma, se ha reportado que
Bacillus schlegelii y Bacillus thioparus en medio tiosulfato presentan crecimiento
autótrofo y heterótrofo en presencia de hidrogeno y dióxido de carbono, lo que
quiere decir que obtienen su energía a partir de la oxidación o reducción de azufre
elemental y el carbono a partir de compuestos orgánicos e inorgánicos. Finalmente,
Thiomonas es uno de los géneros bacterianos asociados por excelencia con la
oxidación de compuestos azufrado reducidos, incluyendo tiosulfato de sodio y
sulfuro de hidrógeno (Chen et al., 2004; Asano et al, 2012). Todo lo anterior
corrobora el potencial de los microorganismos aislados para ser utilizados en la
oxidación del sulfuro de hidrógeno.
47
9.2. Pruebas de antagonismo y construcción de consorcios microbianos
Los resultados de las pruebas de antagonismo se muestran en las tablas 2 y 3. De
manera interesante, se encontró que el aislado Bacillus sp. S06 inhibió el
crecimiento de todos los demás aislados tanto en medio TS como en agar nutritivo.
Se encontró también que el crecimiento de Dyella sp. S09 fue inhibido por otros dos
aislados de Bacillus sp. (S03 y S04) tanto en agar nutritivo como en TS, evidenciado
por la presencia de halos de inhibición, mientras que los demás mostraban total
compatibilidad entre sí. Lo anterior podría explicarse gracias a la amplia producción
de antibióticos por parte de diferentes especies de Bacillus secretados como
metabolitos secundarios, tales como gramicidina, tirocidina, bacitracina,
micobacilina, surfactina, bacilicina y subtilina (Mannanov & Sattarova, 2001). En la
figura 6 se su puede observar la apariencia de los halos de inhibición.
Tabla 3. Pruebas de antagonismo realizadas en agar nutritivo. +: Presencia de halo
de inhibición. -: Sin halo de inhibición
Aislado sembrado de forma masiva
S01 S02 S03 S04 S06 S07 S08 S09
Ais
lad
o s
em
bra
do
en
go
ta S01 - - - - - - -
S02 - - - - - - -
S03 - - - - - - +
S04 - - - - - - +
S06 - - - - + + +
S07 - - - - - - -
S08 - - - - - - -
S09 - - - - - - -
48
Tabla 4. Pruebas de antagonismo realizadas en agar TS. +: Presencia de halo de
inhibición. -: Sin halo de inhibición
Aislado sembrado de forma masiva
S01 S02 S03 S04 S06 S07 S08 S09
Ais
lad
o s
em
bra
do
en
go
ta S01 - - - - + + +
S02 - - - - + + +
S03 - - - - + + +
S04 - - - - - - +
S06 + + + + + + +
S07 - - - - - - -
S08 - - - - - - -
S09 - - - - - - -
Sin embargo, en agar TS, se encontró que tres de los aislados que presentaron
mejor velocidad de crecimiento fueron compatibles entre sí (Thiomonas sp. S07,
Thiomonas sp. S08 y Dyella sp. S09), pero presentaban antagonismo con respecto
a otros tres aislados (S01, S02 y S03). De acuerdo a los anteriores resultados se
definieron dos combinaciones posibles para construir consorcios microbianos
oxidadores de azufre, denominados S22 (aislados S07, S08 y S09) y S23 (aislados
S01, S02 y S03). Debido a su mayor potencial para oxidar compuestos reducidos
de azufre, se seleccionó al consorcio S22 para ser utilizado en el biofiltro. Sin
embargo ambos consorcios, gracias a su potencial para crecer mixotróficamente
sobre compuestos inorgánicos azufrados como el tiosulfato de sodio y fuentes de
carbono orgánicas presentes en el agar nutritivo, así como por su capacidad de
adaptación a medios con sulfato como única fuente de energía, presentan un alto
potencial para degradar compuestos azufrados que producen problemas de
contaminación en el aire como el H2S y podrían ser utilizados de manera
independiente para inocular el biofiltro construido en este trabajo.
49
Figura 6. Halos de inhibición en pruebas de antagonismo en agar nutritivo y agar
TS después de 48 horas
9.3. Construcción y acondicionamiento del biofiltro
Con base en lo descrito previamente por Littlejohns et al (2009) y los cálculos
descritos en la metodología, se pudieron definir las medidas y volúmenes
necesarios para la construcción del sistema de biofiltración. Los resultados de los
cálculos fueron los siguientes:
Diámetro del tubo: 9 cm
Altura de trabajo: 36 cm
Diámetro de la columna interna (tubo draft): 2,9 cm
Altura de la columna interna (tubo draft): 23,76 cm
Volumen de trabajo: 3689ml
Altura del tanque: 58 cm
50
Utilizando los anteriores parámetros, se construyó un prototipo de filtro que se
muestra en las figuras 7, 8 y 9.
Figura 7. Esquema del biofiltro construido
51
Figura 8. Fotografía del biofiltro construido
En el sistema construido, la corriente de gas que contiene el H2S se suministró al
biofiltro por la parte superior de la columna interna o tubo draft (figura 7, 8) mediante
bombas de aire que obligan al gas a recorrer toda la columna interna. La corriente
de gas se desplaza de forma descendente por la columna que contiene el consorcio
oxidador inmovilizado sobre los residuos de Moringa oleífera, en donde se realiza
la primera parte de la remoción biológica del H2S. Posteriormente, el gas sale por la
parte inferior de la columna, la cual contiene un difusor que facilita la formación de
burbujas hacia la fase líquida. La fase líquida estaba conformada por el medio de
52
cultivo TS sin tiosulfato de sodio y el consorcio bacteriano oxidador a una
concentración de 1x105 UFC/ml. La corriente de aire transfiere el H2S a la fase
líquida, en donde se dio la segunda parte de la remoción biológica. La columna
interna contaba con una válvula anti retorno para que el líquido de la fase liquida no
ingrese dentro de la fase sólida, ni el gas regresara a la fase sólida, así como un
difusor de piedra para facilitar la formación de burbujas (figura 9). El
acondicionamiento y empaquetamiento de la fase sólida del biofiltro se realizó con
residuos de las vainas de Moringa oleífera debido a que tiene una gran área de
superficie específica, es fuente de nutrientes orgánicos e inorgánicos, tiene bajo
costo y está disponible en la zona. Además, se utilizó una capa superior de 2 cm de
altura de carbón activado, bajo el cual se empaquetó el material vegetal.
Figura 9. Componentes del biofiltro construido. A) Tanque externo. B) Columna
interna (vista exterior). C) Columna interna empacada (vista interior). D) difusor de
columna interna.
53
9.4. Influencia de la concentración del gas y el tiempo sobre la
eficiencia de remoción de H2S
Los resultados de la eficiencia de remoción del filtro se muestran en la tabla 5 y la
figura 10. En general, se pudo observar que el sistema de filtración construido fue
eficiente para remover el H2S presente en corrientes de aire, y que el tiempo de
retención del gas es un factor que influye de manera significativa sobre la eficiencia
de remoción del H2S por los microorganismos oxidadores y lecho filtrante,
independientemente de las concentraciones iniciales utilizadas en el presente
estudio (62 y 97 ppm).
Tabla 5: Eficiencia de remoción del biofiltro bajo diferentes condiciones
Concentración inicial de H2S
Tiempo (min)
Remoción (%)
62 ppm
0 18,7
15 56,8
30 50,1
97 ppm
0 18,3
15 59,3
30 65,0
Los valores de remoción de H2S al tiempo 0 fueron de 18,7 % con una concentración
inicial promedio de 62 ppm de H2S y de 18,3 % cuando la concentración inicial
promedio de H2S fue de 97 ppm cercanos al 19 %. Esto es evidencia del efecto
adsorbente de la matriz de Moringa por si sola sobre el H2S, asumiendo que al
tiempo 0 de funcionamiento del dispositivo los microorganismos aún no han
metabolizado el gas. El anterior hallazgo es compatible con estudios previos en los
cuales se ha observado el mismo efecto de Moringa oleifera en la remoción directa
de otros tipos de contaminantes, incluyendo hidrocarburos y metales pesados, con
54
eficiencias de remoción que varían entre 60-90% para cobre, plomo, cadmio y
cromo (Ravikumar 2013; Sasikala & Muthuraman 2015) y entre 40-80% para
diferentes tipos de hidrocarburos (Agboun et al., 2016). Debido a que en la literatura
en el momento de la escritura de este documento no se encuentran disponibles
estudios en donde se evalúe el efecto de Moringa oleifera en el tratamiento de gases
similares, los anteriores resultados serían la primera evidencia que soporta el uso
de los residuos de Moringa oleifera como matriz inmovilizante para la remoción de
H2S.
Figura 10. Eficiencia de remoción del biofiltro bajo diferentes condiciones de
operación.
55
Por otra parte, se encontró que, a los 15 minutos de retención del gas, el porcentaje
de remoción de H2S aumentó hasta 56,8 % y 59,3% a concentraciones iniciales de
62 y 97 ppm respectivamente. Al comparar estos valores con los obtenidos al tiempo
0, se encontraron diferencias estadísticamente significativas para ambas
concentraciones iniciales (p= 0,008 y 0,007) respectivamente. Lo anterior soporta la
idea que existe una relación directamente proporcional entre el tiempo de retención
y el porcentaje de remoción de H2S en el biofiltro construido. Sin embargo, se
encontró que a los 30 minutos la eficiencia de remoción no aumentó
significativamente en comparación con el tiempo 15 tal como se esperaba, ya que
los valores máximos obtenidos fueron 51,1 y 65 % a concentraciones iniciales de
62 y 97 ppm (p= 0,657 y 0,656 respectivamente). Este resultado podría deberse al
tamaño del filtro utilizado y por ende a su capacidad, a un agotamiento progresivo
de los niveles de oxígeno disponibles dentro del biofiltro o la falta de disponibilidad
de la fuente inorgánica de carbono que utilizan los microorganismos, es decir, el
CO2 en el aire. Como era de esperarse, las diferencias en los valores de remoción
entre 0 y 30 minutos son estadísticamente significativas para ambas
concentraciones (p = 0,045 y 0,003).
Previamente se ha reportado que, utilizando perlas de alginato de calcio como
material inmovilizante y a concentraciones de H2S a 50-1500 ppb, la eficiencia de
remoción de un sistema de filtración fue de 98,5% empleando tiempos de retención
de 28 y 140 segundos (Chung, Huang, & Tseng, 1996). Cuando disminuían estos
tiempos, la capacidad de remoción decaía notablemente; por tanto, esto sugiere
que a mayor tiempo de retención mayor es la eficiencia de remoción. También se
determinó en este estudio que el pH no disminuyó significativamente a lo largo del
proceso, lo cual concuerda con los resultados obtenidos en el presente estudio dado
que los valores de pH se mantuvieron en un rango de 6,63 a 6,66. En otro estudio
(Chávez, Mora, Cabra, Carmona, & Revah., 2004) evaluaron la capacidad de
remoción de H2S en un sistema de biofiltración utilizando bagazo de caña de azúcar
como agente inmovilizante; los resultados obtenidos demostraron que a
56
concentraciones de 100 y 1800 ppm la eficiencia de remoción fue de 99% con
tiempos de retención entre 15 y 35 segundos, esto debido a que se utilizó un
microorganismo (T. denitrificans) altamente eficiente que podía metabolizar el H2S
en ese rango de tiempo. Sin embargo, cuando el tiempo de retención superaba
ampliamente los 35 segundos la eficiencia de remoción disminuía notablemente, tal
y como se encontró en el presente estudio. Por otra parte, si se encontró una
disminución en el pH pero identificaron que esto no afecta directamente el proceso
de oxidación dado que estos microorganismos pueden desarrollarse en rangos de
pH de 1 a 8, dependiendo de la cepa utilizada. Se sugiere que la variación del pH
está relacionada con el material utilizado para la construcción del biofiltro o del
material inmovilizante, ya que estos pueden llevar a cabo una serie de procesos
físico químicos que pueden alterar el desempeño del sistema.
57
10. CONCLUSIONES
Los microorganismos aislados y los consorcios microbianos construidos en el
presente estudio presentaron un alto potencial para degradar compuestos
azufrados que producen problemas de contaminación tales como el H2S, lo cual se
corroboró en las pruebas realizadas en el sistema de biofiltración y confirma que
podrían ser utilizados en biofiltros o medios inmovilizantes para el tratamiento de
estos compuestos.
Se construyó y acondicionó un biofiltro de separación bifásica de tipo airlift,
utilizando materiales de bajo costo y empacado con residuos vegetales de Moringa
oleífera.
Los residuos de las vainas de Moringa oleifera demostraron tener por sí solos un
efecto de retención y adsorción sobre el H2S presente en el aire contaminado.
El biofiltro construido con residuos de Moringa oleífera fue eficiente para remover
hasta un 65% del H2S presente en corrientes de aire contaminadas.
El tiempo de retención del gas es un factor que influye de manera importante sobre
la eficiencia de remoción del H2S, independientemente de las concentraciones
iniciales utilizadas en el presente estudio (62 y 97 ppm).
58
11. RECOMENDACIONES.
Para posteriores estudios se recomienda optimizar el biofiltro de tal manera que las
dimensiones sean mucho mayores. Así mismo, es necesario controlar parámetros
como el KLA por tiempo de retención, así como la concentración de CO2 y sulfatos
presentes en el biofiltro para determinar si afectan o no el rendimiento del sistema.
Finalmente, podría utilizarse otro consorcio microbiano diferente para validar el
efecto de los mismos y de los residuos de Moringa oleífera por si solos como
potenciales agentes biorremediadores de aire contaminado con H2S.
59
12. REFERENCIAS
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62
13. ANEXOS
Anexo 1
Análisis estadístico de datos de remoción con el programa SPSS
ANOVA
Remoción
Suma de cuadrados Gl
Media cuadrática F Sig.
Inter-grupos 6469,420 5 1293,884 5,567 ,008
Intra-grupos 2556,418 11 232,402 Total 9025,839 16
Pruebas post hoc
Comparaciones múltiples
Remoción Tukey
(I) Condición (J) Condición
Diferencia de
medias (I-J) Error típico Sig.
Intervalo de confianza al 95%
Límite inferior
Límite
superior
Tiempo 0, 97 ppm
Tiempo 15, 97 ppm -40,9666667* 12,4472665 ,007 -68,362916 -13,570418
Tiempo 30, 97 ppm -46,6666667* 12,4472665 ,003 -74,062916 -19,270418
Tiempo 0, 62 ppm -,3333333 12,4472665 ,979 -27,729582 27,062916
Tiempo 15, 62 ppm -38,1666667* 12,4472665 ,011 -65,562916 -10,770418
Tiempo 30, 62 ppm -31,8166667* 13,9164671 ,043 -62,446604 -1,186729
Tiempo 15, 97 ppm
Tiempo 0, 97 ppm 40,9666667* 12,4472665 ,007 13,570418 68,362916
Tiempo 30, 97 ppm -5,7000000 12,4472665 ,656 -33,096249 21,696249
Tiempo 0, 62 ppm 40,6333333* 12,4472665 ,008 13,237084 68,029582
Tiempo 15, 62 ppm 2,8000000 12,4472665 ,826 -24,596249 30,196249
Tiempo 30, 62 ppm 9,1500000 13,9164671 ,524 -21,479937 39,779937
63
Tiempo 30, 97
ppm
Tiempo 0, 97 ppm 46,6666667* 12,4472665 ,003 19,270418 74,062916
Tiempo 15, 97 ppm 5,7000000 12,4472665 ,656 -21,696249 33,096249
Tiempo 0, 62 ppm 46,3333333* 12,4472665 ,003 18,937084 73,729582
Tiempo 15, 62 ppm 8,5000000 12,4472665 ,509 -18,896249 35,896249
Tiempo 30, 62 ppm 14,8500000 13,9164671 ,309 -15,779937 45,479937
Tiempo 0, 62 ppm
Tiempo 0, 97 ppm ,3333333 12,4472665 ,979 -27,062916 27,729582
Tiempo 15, 97 ppm -40,6333333* 12,4472665 ,008 -68,029582 -13,237084
Tiempo 30, 97 ppm -46,3333333* 12,4472665 ,003 -73,729582 -18,937084
Tiempo 15, 62 ppm -37,8333333* 12,4472665 ,011 -65,229582 -10,437084
Tiempo 30, 62 ppm -31,4833333* 13,9164671 ,045 -62,113271 -,853396
Tiempo 15, 62 ppm
Tiempo 0, 97 ppm 38,1666667* 12,4472665 ,011 10,770418 65,562916
Tiempo 15, 97 ppm -2,8000000 12,4472665 ,826 -30,196249 24,596249
Tiempo 30, 97 ppm -8,5000000 12,4472665 ,509 -35,896249 18,896249
Tiempo 0, 62 ppm 37,8333333* 12,4472665 ,011 10,437084 65,229582
Tiempo 30, 62 ppm 6,3500000 13,9164671 ,657 -24,279937 36,979937
Tiempo 30, 62
ppm
Tiempo 0, 97 ppm 31,8166667* 13,9164671 ,043 1,186729 62,446604
Tiempo 15, 97 ppm -9,1500000 13,9164671 ,524 -39,779937 21,479937
Tiempo 30, 97 ppm -14,8500000 13,9164671 ,309 -45,479937 15,779937
Tiempo 0, 62 ppm 31,4833333* 13,9164671 ,045 ,853396 62,113271
Tiempo 15, 62 ppm -6,3500000 13,9164671 ,657 -36,979937 24,279937
*. La diferencia de medias es significativa al nivel 0.05.
