Libro-biofiltración

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Tratamiento biológico
de compuestos orgánicos volátiles
de fuentes fijas
Cenica-COV-Prelim.P65 24/09/03, 11:07 a.m.3
Instituto Nacional de Ecología (INE-SEMARNAT)
Periférico sur 5000. Col. Insurgentes Cuicuilco,
C.P. 04530. México, D.F.
www.ine.gob.mx
Primera edición: agosto de 2003
COORDINACIÓN EDITORIAL Y TIPOGRAFÍA: Raúl Marcó del Pont Lalli
DISEÑO DE LA PORTADA: Álvaro Figueroa
FOTO DE LA PORTADA: Álvaro Figueroa
CORRECCIÓN DE ESTILO: Eduardo Chagoya
ISBN: 968-817-499-8
Impreso y hecho en México
©D.R.
Beatriz Cárdenas González y Víctor Gutiérrez Avedoy son
investigadores en el Centro Nacional de Investigación y
Capacitación Ambiental del Instituto Nacional de
Ecología, SEMARNAT.
Sergio Revah Moiseev y Sergio Hernández Jiménez son
investigadores del Departamento de Ingeniería de
Procesos e Hidráulica, Universidad Autónoma
Metropolitana Iztapalapa y Avril Martínez Sánchez es
egresada de Biotecnología de la misma universidad.
363.738
C373T
Cárdenas González, Beatriz
Tratamiento biológico de compuestos orgánicos volátiles de fuentes fijas/
Beatriz Cárdenas González, Sergio Revah Moiseev, Sergio Hernández
Jiménez, Avril Martínez Sánchez y Víctor Gutiérrez Avedoy. INE-Semarnat,
México, 2003.
 1. Contaminación atmosférica
 2. Fuentes de contaminación
 3. Emisión de contaminantes. Características
 4. Emisión de contaminantes. Métodos de control
 5. Compuestos orgánicos
 6. Biofiltración. Métodos de control
I. Revah Moiseev, Sergio . II Hernández Jiménez, Sergio. III. Martínez Sánchez,
Avril. IV. Gutiérrez Avedoy, Víctor.
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Tratamiento biológico
de compuestos orgánicos volátiles
de fuentes fijas
Beatriz Cárdenas González, Sergio Revah Moiseev,
Sergio Hernández Jiménez, Avril Martínez Sánchez
y Víctor Gutiérrez Avedoy
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ÍNDICE
PRESENTACIÓN • 11
INTRODUCCIÓN • 13
La contaminación atmosférica en México • 13
Los instrumentos regulatorios sobre contaminantes atmosféricos
en México • 14
Programas para el mejoramiento de la calidad del aire • 19
La contaminación atmosférica por compuestos orgánicos volátiles • 20
TIPOS Y FUENTES DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICos • 27
Fuentes fijas • 27
Fuentes móviles • 28
MÉTODOS DE CONTROL PARA EMISIONES DE COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES
POR FUENTES FIJAS • 29
Métodos fisicoquímicos • 30
Incineración u oxidación • 30
Oxidación térmica • 31
Oxidación catalítica • 31
Absorción • 32
Adsorción • 33
Condensación • 33
Métodos biológicos • 34
Cenica-COV-Prelim.P65 24/09/03, 11:07 a.m.7
BIOFILTRACIÓN • 37
¿Qué es la biofiltración? • 37
Antecedentes • 37
Tipos de biofiltros • 40
Biofiltro de lecho fijo • 41
Biofiltro de lecho escurrido • 42
Biolavador • 43
Parámetros de diseño de un sistema de biofiltración • 46
Características del gas contaminante • 46
Lecho filtrante • 47
Aspectos microbiológicos de la biofiltración • 48
Aplicaciones de la biofiltración • 49
La biofiltración en México • 51
BIBLIOGRAFÍA • 57
ÍNDICE ANALÍTICO • 63
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CUADROS
Cuadro 1 Valores límite para los contaminantes atmosféricos normados
en México • 16
Cuadro 2 Normas oficiales mexicanas para el control de contaminantes
atmosféricos por fuentes fijas • 17
Cuadro 3 Algunas medidas incluidas en los distintos Proaires relacionadas
con la reducción de las emisiones de hidrocarburos • 22
Cuadro 4 Clasificación de los biofiltros en función de la fase líquida y
biológica • 40
Cuadro 5 Ventajas y desventajas de los sistemas de biofiltración • 45
Cuadro 6 Microorganismos más comunes usados para el tratamiento
biológico de gases • 50
Cuadro 7 Aplicaciones de la biofiltración a escala industrial en
 diferentes países • 53
FIGURAS
Figura 1 Tecnologías de control para emisiones de compuestos
orgánicos volátiles • 35
Figura 2 Mecanismo de degradación del contaminante • 38
Figura 3 Esquema de un biofiltro de lecho fijo • 41
Figura 4 Esquema de un biofiltro de lecho escurrido • 42
Figura 5 BLE Biocyd 3 para la remoción de azufre, CS2 y H2S en
Monterrey, México • 44
Figura 6 Esquema de un biolavador • 44
Figura 7 Micrografía SEM de muestra del biofiltro. Exoplímeros
• 50
Figura 8 Biofiltro de lecho escurrido para el tratamiento de metanol.
Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa • 55
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Figura 9 Biofiltro de lecho fijo para el tratamiento de pentano, tolueno
y metanol. Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa
• 55
Figura 10 Biofiltro de lecho fijo para el tratamiento de vapores de gasolina.
Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa • 56
Figura 11 Biofiltro de lecho fijo para el tratamiento de thiner. Universidad
Autónoma Metropolitana Iztapalapa y CENICA • 56
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10INTRODUCCIÓN
 Presentación
Como resultado de los altos niveles de ozono atmosférico registrados
en algunas de las principales zonas metropolitanas de nuestro país, es
prioritario implementar medidas de control tanto para óxidos de azu-
fre y nitrógeno como para hidrocarburos; esto requiere identificar aque-
llas tecnologías que permitan a los sectores industrial y de servicios
cumplir con dichas medidas de control. En este documento se presen-
ta información sobre algunas de las tecnologías disponibles para el
tratamiento de compuestos orgánicos volátiles en fase gaseosa prove-
nientes de fuentes fijas, con el propósito de suministrar elementos para
la selección del método adecuado. En particular, se presentan a detalle
los procesos biológicos como una alternativa de control de estas emi-
siones o para complementar los métodos disponibles actualmente uti-
lizados para el tratamiento de aire contaminado por compuestos
orgánicos volátiles.
Este texto contiene una breve introducción a la contaminación at-
mosférica en México, una descripción de los principales contaminan-
tes atmosféricos, información sobre las tecnologías existentes para el
control de emisiones de fuentes fijas y una detallada explicación sobre
la biofiltración y su potencial de aplicación en nuestro país.
11
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12 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
Cenica-COV-Present.p65 24/09/03, 11:07 a.m.12
13INTRODUCCIÓN
Introducción
LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA EN MÉXICO
La disminución de la calidad del aire debido a la contaminación at-
mosférica en zonas urbanas es producto de un conjunto de factores
como la cantidad y calidad de los combustibles utilizados por los dis-
tintos procesos industriales, las actividades productivas y de población
y por las condiciones meteorológicas (locales y globales) y fisiográficas
que modifican la química atmosférica.
La importancia del control de la contaminación atmosférica tiene
que ver no sólo con los daños directos que causa a la salud del ser
humano (enfermedades, hipersensibilidad), a la flora y la fauna (alte-
raciones foliares, reducción del crecimiento, pérdida de especies) o las
alteraciones al medio ambiente (atenuación de la radiación solar, au-
mento de emisiones calóricas, cambios en la precipitación), sino tam-
bién con los impactos negativos sobre la economía como resultado de
las pérdidas derivadas de los efectos directos e indirectos, así como por
los gastos relacionados con la aplicación de medidas para controlar
dicha polución.
En México, hasta hace pocos años se consideraba que este deterio-
ro era exclusivo de la Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM).
Si bien es cierto que la gravedad del problema de la contaminación
varía entre ciudades, también lo es que a la fecha la lista de urbes con
problemas de calidad del aire incluyen a la Zona Metropolitana de
13
Cenica-COV-Introd.p6524/09/03, 11:07 a.m.13
14 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
Monterrey (ZMM), a la Zona Metropolitana de Guadalajara (ZMG), a
las ciudades de Minatitlán, Coatzacoalcos, Puebla, Saltillo, Monclova,
Lázaro Cárdenas, Ciudad Juárez, Tijuana y la Zona Lerma-Toluca
(ZMVT), debido al crecimiento poblacional e industrial acelerado en
los últimos años (INEGI-SEMARNAP 1998).
La calidad del aire se determina en función del tipo y concentración
de diferentes contaminantes gaseosos, aerosoles y materiales particulados
presentes en la atmósfera. La normatividad ambiental mexicana vigente
incluye normas relativas a los niveles máximos permisibles de concen-
tración de contaminantes atmosféricos así como normas para emisiones
de fuentes fijas industriales y de fuentes móviles según se describe en la
siguiente sección.
LOS INSTRUMENTOS REGULATORIOS SOBRE
CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS EN MÉXICO
En México, los instrumentos regulatorios para la calidad del aire in-
cluyen la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Am-
biente (LGEEPA), el Reglamento en Materia de Prevención y Control
de la Contaminación Atmosférica y las Normas Oficiales Mexicanas
(NOM) para el control de los niveles de emisiones de contaminantes a
la atmósfera provenientes de fuentes determinadas.
El título IV de Protección al Ambiente de la LGEEPA incluye diez
artículos (capítulos I y II) referentes a la prevención y control de la
contaminación de la atmósfera. En este título se indican los instru-
mentos de política, mecanismos y procedimientos necesarios para con-
trolar, reducir o evitar la contaminación de la atmósfera, incluida la
competencia de la Federación. La LGEEPA también define los sectores
industriales que son de jurisdicción federal y designa a las autoridades
locales como las responsables de establecer y operar los sistemas de
monitoreo de la calidad del aire y programas de verificación vehicular.
Por su parte, el Reglamento, de carácter nacional, establece los pro-
cedimientos técnico-administrativos a los que están sujetas las fuentes
Cenica-COV-Introd.p65 24/09/03, 11:07 a.m.14
15INTRODUCCIÓN
de contaminantes de jurisdicción federal, tales como licencias de fun-
cionamiento y cédulas de operación anuales.
Finalmente, en México existen normas de calidad del aire para los
siguientes contaminantes atmosféricos: bióxido de azufre (SO2),
monóxido de carbono (CO), bióxido de nitrógeno (NO2), ozono (O3),
partículas suspendidas totales (PST) y partículas menores a diez
micrómetros de diámetro (PM10) y plomo (Pb). Estas normas son emi-
tidas por la Secretaría de Salud. Para cada uno de estos compuestos se
cuenta con un estándar o norma de calidad del aire que establece los
niveles máximos permisibles de concentración de contaminantes que
garanticen la salud de la población en general, incorporando un margen
de seguridad. Las normas son observadas por las autoridades federales y
locales que tengan a su cargo el desarrollo y aplicación de los programas
de política ambiental (SEMARNAP 2000). El cuadro 1 presenta los valores
normados para contaminantes atmosféricos.
Por su parte, la SEMARNAT emite una serie de NOM (cuadro 2) que
regulan las emisiones de contaminantes provenientes de fuentes fijas y
móviles y definen los niveles de emisiones de óxidos de azufre y otros
compuestos de este elemento (seis normas), de óxidos de nitrógeno (seis
normas), partículas suspendidas (ocho normas), compuestos orgánicos
volátiles (diez normas) y monóxido de carbono (seis normas). Su propó-
sito es la protección a la salud de la población y la de los ecosistemas, lo
cual se logra regulando la calidad del aire en las cuencas atmosféricas.
Si bien es reconocida la función de los compuestos orgánicos volá-
tiles como precursores del ozono y otros oxidantes, también afecta la
alta toxicidad de algunos de ellos en los seres humanos (SEMARNAP
2000a), aún no se cuenta con un programa continuo y de amplia co-
bertura para su monitoreo. Tampoco existe alguna norma de calidad
del aire para compuestos tóxicos como el benceno, formaldehído,
acetaldehído y 1,3 butadieno. Considerando la tendencia mundial en
relación con estos compuestos tóxicos es necesario que en un futuro se
cuente tanto con el monitoreo, como con normas de calidad del aire
para estos compuestos.
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16 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
En el cuadro se enlistan el número y nombre de las normas que
establecen las emisiones permisibles por fuentes fijas en México.
CUADRO 1. VALORES LÍMITE PARA LOS CONTAMINANTES
ATMOSFÉRICOS NORMADOS EN MÉXICO
Fuente: SEMARNAP 2000a.
CONTAMINANTES
ATMOSFÉRICOS
Ozono (O
3
)
Bióxido de azufre (SO
2
)
Bióxido de nitrógeno
(NO
2
)
Monóxido de carbono
(CO)
Partículas suspendidas
totales (PST)
Partículas fracción respira-
ble (PM10)
Plomo (Pb)
CONCENTRACIÓN Y
TIEMPO PROMEDIO
0.11 ppm (1 hora)
0.13 ppm (24 horas)
0.21 ppm (1 hora)
11 ppm (8 horas)
260 µg/m3 (24 horas)
150 µg/m3 (24 horas)
-
FRECUENCIA
MÁXIMA A CEPTABLE
1 vez cada 3 años
1 vez al año
1 vez al año
1 vez al año
1 vez al año
1 vez al año
-
EXPOSICIÓN CRÓNICA
PARA PROTECCIÓN DE LA
POBLACIÓN SUSCEPTIBLE
-
0.03 ppm(*)
-
-
75 µg/m3(*)
50 µg/m3(*)
1.5 µg/m3(**)
VALORES LÍMITE
EXPOSICIÓN AGUDA
Nota: (*) Promedio aritmético anual.
 (**) Promedio aritmético de tres meses.
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17INTRODUCCIÓN
CUADRO 2. NORMAS OFICIALES MEXICANAS PARA EL CONTROL
DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS POR FUENTES FIJAS
NORMA OFICIAL MEXICANA
NOM-039-SEMARNAT-1993
NOM-040-SEMARNAT-1993
NOM-043-SEMARNAT-1993
NOM-046-SEMARNAT-1993
NOM-051-SEMARNAT-1993
NOM-075-SEMARNAT-1995
NOM-085-SEMARNAT-1994
NIVELES MÁXIMOS PERMISIBLES
DE EMISIONES A LA ATMÓSFERA
Bióxido y trióxido de azufre y neblinas de ácido
sulfúrico en plantas productoras de ácido sulfúrico.
Partículas sólidas y control de emisiones fugitivas
provenientes de industrias productoras de cemento.
Partículas sólidas en proceso.
Bióxido de azufre, neblinas de trióxido de azufre y
ácido sulfúrico en plantas productoras de ácido
dodecilbencensulfónico.
Nivel máximo permisible en peso de azufre, en el
combustible líquido, gasóleo industrial que se consu-
me por fuentes fijas en la Zona Metropolitana de la
Ciudad de México.
Emisión a la atmósfera de compuestos orgánicos
volátiles provenientes del proceso de los separadores
agua-aceite de las refinerías de petróleo.
Humos, partículas suspendidas totales, óxidos de
azufre y óxidos de nitrógeno en fuentes fijas que
utilizan combustibles fósiles.
(Continúa)
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18 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
NORMA OFICIAL MEXICANA NIVELES MÁXIMOS PERMISIBLES
DE EMISIONES A LA ATMÓSFERA
CUADRO 2. NORMAS OFICIALES MEXICANAS PARA EL CONTROL
DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS POR FUENTES FIJAS
NOM-092-SEMARNAT-1993
NOM-093-SEMARNAT-1993
NOM-097-SEMARNAT-1995
NOM-105-SEMARNAT-1996
NOM-EM-118-SEMARNAT-
1997
NOM-121-SEMARNAT-1997
Requisitos de los sistemas de vapores de gasolina en
estaciones de servicio y autoconsumo ubicadas en el
Valle de México.
Eficiencia de laboratorio de los sistemas de recupera-
ción de vapores de gasolina en estaciones de servicio
y autoconsumo.
Material particulado y óxidos de nitrógeno en los
procesos de fabricación de vidrio en el país.
Partículas sólidas totales y compuestos de azufre
reducido total en plantas de fabricación de celulosa.
Especificaciones de protección ambiental que deben
de reunir el gas licuado de petróleo que se utiliza en
las fuentes fijas ubicadas en la Zona Metropolitana
de la Ciudad de México.
Compuestos orgánicos volátiles provenientes de las
operaciones de recubrimiento de carrocerías de la
industria automotriz así como el método para calcu-
lar sus emisiones.
(Continúa)
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19INTRODUCCIÓN
CUADRO 2. NORMAS OFICIALES MEXICANAS PARA EL CONTROLDE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS POR FUENTES FIJAS
NORMA OFICIAL MEXICANA NIVELES MÁXIMOS PERMISIBLES
DE EMISIONES ATMÓSFERA
NOM-123-SEMARNAT-1998 Establece el contenido máximo permisible de com-
puestos orgánicos volátiles (COV), en la fabricación
de pinturas de secado al aire base solvente y para uso
doméstico y los procedimientos para la determina-
ción del contenido de los mismos en pinturas y
recubrimientos.
PROGRAMAS PARA EL MEJORAMIENTO
DE LA CALIDAD DEL AIRE
A fin de mejorar la calidad del aire en diversas ciudades mexicanas,
desde principio de la década de 1990 se han implementado en diferen-
tes ciudades programas para el mejoramiento de la calidad del aire,
conocidos informalmente como «Proaires», entre los que se encuen-
tran: el Programa Integral contra la Contaminación Atmosférica 1990-
1995; el Programa para Mejorar la Calidad del Aire en el Valle de
México 1995-2000 (PROAIRE); el Programa de Administración de la
Calidad del Aire del Área Metropolitana de Monterrey 1997-2000
(PACADAMM); el Programa para el Mejoramiento de la Calidad del
Aire en la Zona Metropolitana de Guadalajara 1997-2001; el Progra-
ma para el Valle de Toluca 1997-2000 (Aire Limpio); el Programa de
Gestión de la Calidad del Aire de Ciudad Juárez 1998-2002 y el Pro-
grama para Mejorar la Calidad del Aire de la Zona Metropolitana del
Valle de México 2002-2010 (CAM 2002, SEMARNAP y GEM 1997). Los
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20 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
«Proaires» constituyen uno de los principales instrumentos desarrolla-
dos para revertir las tendencias del deterioro de la calidad del aire en
las principales ciudades de México. Estos programas incluyen medi-
das concretas para el abatimiento y control de las emisiones de conta-
minantes y se basan en la relación que existe entre las emisiones de
contaminantes por fuentes específicas y el impacto que ocasionan en
la calidad del aire y el consecuente deterioro en la salud y el ecosistema.
Considerando que estos programas se elaboran con base en un diag-
nóstico especifico de la ciudad en cuestión y en función de ello se
identifican una serie de estrategias, instrumentos y medidas, existen
semejanzas y diferencias entre los mismos.
La contaminación atmosférica por compuestos
orgánicos volátiles
Considerando que uno de los problemas comunes en varias ciudades
respecto de la calidad del aire se refiere a las concentraciones de ozo-
no por encima de la norma, se ha identificado como prioritaria la
reducción de emisiones de hidrocarburos y de óxidos de nitrógeno
para controlar este problema. En el cuadro 3 se enlistan algunas de
las medidas consideradas en los diferentes «Proaires», tanto para la
industria como para los servicios, que impactarían en una reducción
de las emisiones de hidrocarburos.
En el Programa para Mejorar la Calidad del Aire de la Zona Me-
tropolitana del Valle de México 2002-2010 (CAM 2002), se considera
la implementación de una serie medidas para cumplir con las metas y
objetivos tendientes a mejorar la calidad del aire, algunas relacionadas
directamente con la emisión de hidrocarburos.
De acuerdo con el inventario de emisiones de la ZMVM (SEMARNAP
1998a), esta zona emite a la atmósfera anualmente aproximadamente
2.5 millones de toneladas de contaminantes, de los cuales aproxima-
damente el 19% (475 mil toneladas) son hidrocarburos. En cuanto a
las fuentes de emisión de los hidrocarburos totales se distribuyen como
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21INTRODUCCIÓN
sigue: el 52%, fuentes puntuales, el 5%, la vegetación, suelos el 3% y
las fuentes móviles 40%.
Como puede verse, la mayor parte de las emisiones de hidrocarbu-
ros provienen de fuentes de área y móviles, de ahí que las medidas de
control estén enfocadas directamente a ellas. Sin embargo, en el Proaire
2002-2010 no se especifican las tecnologías para lograr la reducción
de estas emisiones, salvo en algunos casos como base de cálculo. Resul-
ta indispensable, por lo tanto, identificar aquellas que su implemen-
tación sea costo-efectiva para cada caso.
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22 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
CUADRO 3. ALGUNAS MEDIDAS INCLUIDAS EN LOS DISTINTOS «PROAIRES»
RELACIONADAS CON LA REDUCCIÓN DE EMISIONES DE HIDROCARBUROS
PROAIRE
Proaire para la ZMVM
2002-2010
Proaire ZMG
Proaire Ciudad Juárez
MEDIDA
Industria
Control de emisiones de contaminantes emitidos por la
industria.
Instrumentación de programas de industria más limpia.
Establecer convenios con la industria para controlar y
reducir emisiones de precursores de ozono.
Controlar las emisiones de partículas y bióxido de azufre
en industrias altamente contaminantes.
Convenir con maquiladoras la implementación de pro-
gramas de reducción de emisiones de COV.
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23INTRODUCCIÓN
MEDIDA
Servicios
Reducción de emisiones de hidrocarburos
en lavanderías de lavado en seco.
Verificación de los sistemas de recupera-
ción de vapores instalados en las estacio-
nes de servicio.
Promover la instalación de equipos para la
recuperación de vapores en terminales de
recibo y distribución de combustibles y
gasolina.
Reducir las emisiones de COV en tintore-
rías y talleres de pintura automotriz.
META PARA
REDUCCIÓN DE
HC
5,953 ton de HC
por año.
25% de reducción
en las emisiones.
27% de reducción
de las emisiones.
COMENTARIOS
El programa incluye a 200
empresas y considera un
costo de 1.2 millones de
dólares con filtros de
carbón activado como
método de control.
Instalación de sistemas de
recuperación de solventes.
Considera a las emisiones
fugitivas de hidrocarburos
principalmente.
Impacto no cuantificado
con respecto a la disminu-
ción de hidrocarburos a la
atmósfera.
Promoción y capacitación
para usar pistolas de bajas
emisiones, casetas de
pinturas y técnicas de
Cenica-COV-Introd.p65 24/09/03, 11:07 a.m.23
24 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
CUADRO 3. ALGUNAS MEDIDAS INCLUIDAS EN LOS DISTINTOS «PROAIRES»
RELACIONADAS CON LA REDUCCIÓN DE EMISIONES DE HIDROCARBUROS
PROAIRE MEDIDA
Industria
Proaire ZMM
Proaire Mexicali
Proaire ZMVT
Proaire de Tijuana-
Rosarito
Establecer convenios con las industrias para controlar y
reducir emisiones de partículas, precursores de ozono y
bióxido de azufre.
Reducir las emisiones de las empresas más contaminan-
tes a través de la instalación de equipos de control y de
reingeniería de procesos, y convenir con la industria
maquiladora en la implantación de un programa de
reducción de COV.
Establecer convenios con la industria para controlar y
reducir emisiones de partículas, precursores de ozono y
bióxido de azufre.
Impulsar un programa de reducción de COV.
Fuentes: SEMARNAP 1998a, 1999 y 2000, SEMARNAP y GEM 1997, SEMARNAT et al. 2002.
Cenica-COV-Introd.p65 24/09/03, 11:07 a.m.24
25INTRODUCCIÓN
MEDIDA
Servicios
META PARA
REDUCCIÓN DE
HC
COMENTARIOS
No especificado
No especificado
Control de emisiones fugitivas por almace-
namiento y distribución de gas LP.
Recuperación de vapores en estaciones de
servicio.
Impulsar un programa de reducción de
compuestos orgánicos volátiles.
10% de reducción
de las emisiones.
25% de reducción
de las emisiones.
40% reducción en
las emisiones de
hidrocarburos.
No especificado.
ahorro para reducir emisio-
nes de COV en talleres de
pintura automotriz.
Reducción estimada para el
2002.
Reducción estimada para el
2004.
Meta estimada para el
2005.
Cenica-COV-Introd.p65 24/09/03, 11:07 a.m.25
26 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
Cenica-COV-Introd.p65 24/09/03, 11:07 a.m.26
27TIPOS Y FUENTES DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS
Tipos y fuentes
de contaminantes atmosféricos
La contaminación del aire incluye elementos de origen natural y emi-
siones resultantes de actividades humanas. Los contaminantes atmos-
féricos pueden ser compuestos gaseosos, aerosoleso material
particulado. Entre los contaminantes gaseosos se encuentran el ozono,
los óxidos de azufre y de nitrógeno, monóxido de carbono, dióxido de
carbono y compuestos volátiles orgánicos e inorgánicos. El material
particulado se caracteriza, a su vez, por partículas suspendidas totales,
partículas suspendidas menores a diez micras y partículas suspendidas
con diámetro menor a 2.5 micras. Entre las diferentes fuentes de emi-
siones a la atmósfera podemos distinguir dos grandes tipos: las fuentes
fijas y las móviles, las cuales se describen a continuación.
FUENTES FIJAS
Existen tres tipos de fuentes fijas generadoras de emisiones:
Fuentes puntuales. Derivadas de la generación de energía eléctrica y
de actividades industriales como son: la química, textil, alimentaria,
maderera, metalúrgica, metálica, manufacturera y procesadora de pro-
ductos vegetales y animales, entre otras. Las emisiones derivadas de la
combustión utilizada para la generación de energía o vapor, dependen
de la calidad de los combustibles y de la eficiencia de los quemadores,
mantenimiento del equipo y de la presencia de equipo de control al
final del proceso (filtros, precipitadores y lavadores, entre otros). Los
27
Cenica-COV-Cap 1.p65 24/09/03, 11:07 a.m.27
28 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
principales contaminantes asociados a la combustión son partículas
(SO2, NOx, CO2, CO e hidrocarburos).
Fuentes de área. Incluyen la generación de aquellas emisiones inhe-
rentes a actividades y procesos, tales como el consumo de solventes,
limpieza de superficies y equipos, recubrimiento de superficies arqui-
tectónicas, industriales, lavado en seco, artes gráficas, panaderías, dis-
tribución y almacenamiento de gas LP, principalmente. Esta fuente
también incluye las emisiones de actividades como son: el tratamiento
de aguas residuales, plantas de composteo, rellenos sanitarios, entre
otros. En este tipo de emisión se encuentra un gran número de conta-
minantes, de muy variado nivel de impacto en la salud.
Fuentes naturales. Se refiere a la generación de emisiones producidas
por volcanes, océanos, plantas, suspensión de suelos, emisiones por di-
gestión anaerobia y aerobia de sistemas naturales. En particular a todo
aquello emitido por la vegetación y la actividad microbiana en suelos y
océanos, que se les denomina emisiones biogénicas, cuyo papel es im-
portante en la química de la troposfera al participar directamente en la
formación de ozono. Las emisiones biogénicas incluyen óxido de nitró-
geno, hidrocarburos no metanogénicos, metano, dióxido y monóxido
de carbono y compuestos nitrogenados y azufrados (Velasco 2001).
FUENTES MÓVILES
Ejemplos de fuentes móviles son los aviones, helicópteros, ferrocarri-
les, tranvías, tractocamiones, autobuses, camiones, automóviles,
motocicletas, embarcaciones, equipo y maquinarias no fijas con mo-
tores de combustión y similares, que por su operación generen o pue-
dan generar emisiones contaminantes a la atmósfera. Si bien la defini-
ción de fuente móvil incluye prácticamente a todos los vehículos auto-
motores, la NOM para fuentes fijas se refiere básicamente a las emisio-
nes de automóviles y camiones. Los motores de los vehículos son los
responsables de las emisiones de CO, de compuestos orgánicos voláti-
les, SO2, y NOx, producidos durante la combustión.
Cenica-COV-Cap 1.p65 24/09/03, 11:07 a.m.28
29MÉTODOS DE CONTROL PARA CONTAMINANTES
Métodos de control para emisiones
de compuestos orgánicos volátiles
por fuentes fijas
Para alcanzar los estándares de emisiones establecidos en las NOM o
por programas específicos (el Proaire de la ZMVM, por ejemplo) se
están aplicando y/o desarrollando varias técnicas para el tratamiento
de gases emitidos. Los métodos para el control de compuestos orgáni-
cos volátiles (COV) en emisiones de fuentes fijas se pueden clasificar
en dos grandes grupos: los métodos fisicoquímicos y los métodos bio-
lógicos. En algunos casos, la opción para el control de emisiones de
COV involucrará a más de uno de estos métodos de acuerdo con las
características de la emisión.
En la selección del equipo adecuado para el control de la contami-
nación del aire se deben contemplar los aspectos que aparecen a conti-
nuación. Todas estas consideraciones permitirán realizar una adecua-
da evaluación técnico-económica de la tecnología propuesta, en don-
de la elección del método adecuado para el control de compuestos
volátiles depende de la ponderación de los siguientes aspectos:
- Características del contaminante a remover (concentración, pro-
piedades físicas y químicas como corrosividad, abrasividad, toxici-
dad y combustibilidad).
- Las características de la corriente contaminada (temperatura, pre-
sión, humedad, flujo, presencia de partículas).
- La eficiencia de remoción requerida (dictada por las normas de
emisión vigentes o por la meta a alcanzar).
29
Cenica-COV-Cap 2.p65 24/09/03, 11:07 a.m.29
30 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
- Posibilidad de recuperar y reutilizar el contaminante así como iden-
tificar y cuantificar los subproductos que se puedan generar con el
proceso y el costo de su disposición.
- Los requerimientos de potencia, de suministros y de mantenimiento
deberán ser calculados al igual que los costos de inversión inicial.
Métodos fisicoquímicos
Estos métodos se utilizan para el control de contaminantes particulados
(sólidos o líquidos) como polvo y aerosoles mediante el uso de un
sedimentador gravitacional, separador centrífugo, ciclón, filtro de tela y
precipitador electrostático. Para el control de compuestos gaseosos tales
como SO2, NOx, ozono (O3), CO y COV se encuentran los procesos como
la absorción, la adsorción, la condensación y la oxidación catalítica y/o
la incineración térmica. Estos métodos tienen desventajas inherentes.
Los oxidantes químicos son costosos y en algunos casos peligrosos. En
ciertas ocasiones el contaminante solo se transfiere de una fase a otra y
queda el problema de disposición del agua o del carbón activado (este
último requiere regeneración periódica). En varios de ellos se necesita un
elevado consumo de agua, energía y combustibles, lo que lleva asociado
altos costos de instalación y mantenimiento. No obstante, son técnicas
rápidas y altamente eficientes y en algunos casos, constituyen la única
opción para el control de ciertas emisiones.
Incineración u oxidación
La incineración, también llamada incineración de vapores, es un proce-
so en el cual el gas que contiene el contaminante es capturado por un
sistema industrial de ventilación, precalentado, mezclado y oxidado a altas
temperaturas que da como resultado otros compuestos. En el caso de los
hidrocarburos orgánicos cuya composición es sólo carbono e hidrógeno,
los compuestos resultantes son dióxido de carbono y agua (CO2 y H2O).
Sin embargo, si los compuestos orgánicos contienen cloro, fluoro o azu-
Cenica-COV-Cap 2.p65 24/09/03, 11:07 a.m.30
31MÉTODOS DE CONTROL PARA CONTAMINANTES
fre, entonces los productos que se pueden formar serán vapores de ácido
clorhídrico, de ácido fluorhídrico o dióxido de azufre y en algunos casos
la formación de dioxinas. La formación de óxidos de nitrógeno es tam-
bién posible durante la incineración. En general, los sistemas de oxida-
ción tienen eficiencias de destrucción mayores al 99 %. Los sistemas de
oxidación o incineración pueden dividirse, a su vez, en dos tipos princi-
palmente: oxidación térmica y oxidación catalítica. La eficiencia de un
incinerador puede verse afectada por la concentración de los compuestos
orgánicos, la temperatura de ignición y el tiempo de residencia o el volu-
men del catalizador (EPA 2002).
Oxidación térmica
La oxidación térmica es uno de los métodos de control de emisiones
más frecuentemente utilizados cuando la concentración de vapores
orgánicos es generalmente 50% menor al límite inferior de explosividad.
El sistema consiste en una cámara (recubierta en su interior por mate-
rial refractario) en la que se encuentran algunosquemadores, los cua-
les son utilizados para calentar la corriente gaseosa hasta la temperatu-
ra necesaria para la oxidación de los compuestos, generalmente entre
700 ºC y 1,000 ºC. En algunos casos una porción del gas a tratar se
utiliza en dichos quemadores para proporcionar el oxígeno necesario
para la combustión. El combustible utilizado puede ser gas natural,
propano o butano y su consumo puede ser disminuido mediante la
utilización de sistemas de recuperaciuón o generación de calor. El pro-
ceso de oxidación térmica es generalmente rápido (ocurre en menos
de un segundo) aunque puede variar dependiendo de la temperatura y
de las condiciones de mezclado en cámara.
Oxidación catalítica
La oxidación catalítica es similar a la oxidación térmica, sin embargo,
un catalizador dentro del sistema disminuye la energía de activación
Cenica-COV-Cap 2.p65 24/09/03, 11:07 a.m.31
32 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
requerida para la oxidación total, por lo que ésta ocurre a temperatu-
ras menores. Estos sistemas se utilizan cuando la concentración de los
vapores orgánicos es menor del 25% de su límite inferior de
explosividad, ya que con concentraciones mayores se pueden alcanzar
altas temperaturas y dañar el catalizador. Las temperaturas de opera-
ción se encuentran entre los 300-450 ºC. Comúnmente, los cataliza-
dores utilizados en la oxidación de este tipo incluyen óxidos metálicos
de platino, paladio o rodio. También pueden ser utilizados materiales
como el pentóxido de vanadio, el dióxido de titanio o el dióxido de
manganeso. Los costos del combustible en estos sistemas son más ba-
jos y en algunos casos es posible operar sin combustible, excepto du-
rante el arranque; sin embargo, el catalizador tiene un precio elevado y
una vida útil que debe considerarse (EPA 2002).
Absorción
Los procesos de absorción son métodos de transferencia de masa desde
la corriente de aire que contiene la carga de COV hasta un líquido
absorbente, impulsados por un gradiente de concentración. Las so-
luciones absorbentes incluyen agua, sosa cáustica, aminas y algunos
hidrocarburos. El absorbente empleado dependerá de las caracterís-
ticas de solubilidad del COV a remover. Todos los sistemas de absor-
ción buscan mejorar la transferencia de masa, forzando el contacto
de la fase líquida con la fase gaseosa, ya sea en paralelo o a contra
corriente. Estos sistemas están diseñados para operar en un amplio
rango de eficiencias de remoción entre 70 y 99 %. El factor más
importante que afecta la eficiencia de remoción es la solubilidad del
contaminante en el líquido, seguido por la temperatura y el pH.
Algunos sistemas que operan bajo este principio incluyen configura-
ciones tales como las torres de aspersión, torres empacadas o lavadores
húmedos (EPA 2002).
Cenica-COV-Cap 2.p65 24/09/03, 11:07 a.m.32
33MÉTODOS DE CONTROL PARA CONTAMINANTES
Adsorción
La adsorción se refiere a procesos donde las moléculas de COV son
removidas de la corriente gaseosa al transferirse a la superficie sólida
del adsorbente. Existen dos tipos de procesos de adsorción: adsorción
química y adsorción física. La adsorción química no es utilizada en
sistemas de control de contaminantes gaseosos por la dificultad que
implica su regeneración. En la adsorción física, la molécula del conta-
minantes es ligeramente retenida en la superficie del adsorbente por
débiles fuerzas electrostáticas, de manera que el material puede ser
fácilmente regenerado. El carbón activado es el adsorbente más usado
hoy en día para retirar COV, existen tres tipos comunes: granular acti-
vado, polvo activado y fibra de carbono. También la silica gel, zeolita,
alumina y polímeros pueden ser empleados como adsorbentes. Estos
sistemas alcanzan eficiencias de remoción altas, entre 95 y 98% para
carbón activado. La regeneración del adsorbente puede ocurrir in situ
o ex situ. La regeneración involucra el tratamiento de los contaminan-
tes desorbidos, ya sea por incineración o en algunos casos para su recu-
peración. En casos en los que no se considere la regeneración del
adsorbente, se deberá disponer del mismo de acuerdo a la legislación,
y en la mayoría de los casos como residuo peligroso. La retención de
los contaminantes en el adsorbente puede verse afectada por factores
tales como la temperatura, la presión, la concentración de los conta-
minantes, el peso molecular de los contaminantes, la humedad y la
presencia de partículas. Estos sistemas también pueden presentar pro-
blemas de explosividad de acuerdo con la concentración y tipo de con-
taminantes adsorbidos (EPA 2002, Cooper y Alley 2002).
Condensación
En este proceso, los contaminantes gaseosos son removidos de la corriente
gaseosa mediante el cambio de fase a líquido. Esto se logra incrementando
la presión o reduciendo la temperatura o la combinación de ambas, sin
Cenica-COV-Cap 2.p65 24/09/03, 11:07 a.m.33
34 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
embargo considerando los costos de operación y mantenimiento de los
equipos de compresión, la mayoría de los sistemas de condensación para
tratamiento de aire operan bajo el principio de reducción de temperatura.
La eficiencia de remoción de un condensador es generalmente del 90% y
radica principalmente en el punto de rocío y en la temperatura de opera-
ción. Existen tres tipos de condensadores: los convencionales, los criogénicos
y los de refrigeración. Este sistema es frecuentemente utilizado cuando el
contaminante puede ser reusado en el proceso, evitando así el costo de
materiales nuevos en el proceso (EPA 2002).
MÉTODOS BIOLÓGICOS
Estas tecnologías se basan en la degradación o transformación de los
contaminantes en compuestos menos dañinos. En términos generales,
la purificación biológica es un proceso en el cual los gases contaminados
son tratados al entrar en contacto con un medio biológicamente activo.
El límite de estos procesos es la biodegradabilidad de los contaminantes,
en donde los compuestos biogénicos (generados por procesos biológi-
cos) son fácilmente biodegradables, mientras que aquellos con estructu-
ras químicas no naturales (xenobióticos) pueden ser más recalcitrantes.
Los sistemas biológicos de tratamiento de aire, son considerados
como tecnologías limpias (tecnologías verdes) con base en los siguien-
tes aspectos:
. Requieren de menor uso intensivo en energía (menor impacto am-
biental y costo de operación).
. No utilizan sustancias peligrosas para su operación.
. No requieren condiciones extremas de trabajo.
. Al igual que la oxidación térmica y la catalítica, el contaminante es
destruido en lugar de sólo transferirse de fase.
. El CO2 producido asociado con esta tecnología es mucho menor al
generado por la incineración térmica al no usar combustibles su-
plementarios.
Cenica-COV-Cap 2.p65 24/09/03, 11:07 a.m.34
35MÉTODOS DE CONTROL PARA CONTAMINANTES
Para la selección adecuada de una tecnología para el control de
compuestos volátiles suele ser útil la figura 1 en la que se muestran los
rangos de concentración y de flujos de aire, en los cuales cada una de
las tecnologías de control son las óptimas para cada caso particular
(Kosteltz et al. 1996). De esta figura, se observa que los métodos bio-
lógicos son eficientes para grandes volúmenes de aire con bajas con-
centraciones. En la siguiente sección se presenta a detalle información
sobre los métodos biológicos para el control de emisiones de fuentes
fijas de compuestos volátiles.
FIGURA 1. TECNOLOGÍAS DE CONTROL PARA EMISIONES
DE COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES
INCINERACIÓN
BIOFILTRACIÓN
BIOLAVADORES
BIOFILTROS DE
 LECHO ESCURRIDO
ADSORCIÓN NO
REGENERATIVA
LAVADORES
C ONDENSACIÓN
CRIO- CONDENSACIÓN
ADSORCIÓN
REGENERATIVA
VELOCIDAD DEL FLUJO DE GAS (m3/h)
106
105
104
103
102
100
0
 1 10 100
CONCENTRACIÓN (g/m3 )
Cenica-COV-Cap 2.p65 24/09/03, 11:08 a.m.35
36 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
Cenica-COV-Cap 2.p6524/09/03, 11:08 a.m.36
37BIOFILTRACIÓN
Biofiltración
¿QUÉ ES LA BIOFILTRACIÓN?
La biofiltración se define como todo proceso biológico utilizado para
el control o tratamiento de compuestos volátiles orgánicos e inorgánicos
presentes en la fase gaseosa. En la biofiltración, los microorganismos
son los responsables de la degradación biológica de los contaminantes
volátiles contenidos en corrientes de aire residual.
Durante el proceso de biofiltración (figura 2), el aire contaminado
pasa a través de los macroporos del material filtrante. La degradación
de los contaminantes ocurre previa transferencia del aire a un medio
líquido en donde es utilizado como fuente de carbono y energía (com-
puestos orgánicos) o como fuente de energía (compuestos inorgánicos).
La utilización implica producción de biomasa y la oxidación parcial o
total del contaminante. A su vez, la biomasa, bajo ciertas condiciones
sufre una oxidación por respiración endógena. De esta manera, los
procesos de biofiltración dan lugar a una descomposición completa de
los contaminantes, creando productos no peligrosos.
Antecedentes
Los primeros reportes del uso de los sistemas de biofiltración datan de
1923 y se utilizaron para remover el azufre (H2S) proveniente de una
planta de tratamiento de aguas residuales. Los primeros biofiltros fue-
37
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.37
38 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
ron sistemas abiertos en los que se empleaba suelo poroso como so-
porte. Se hacían huecos en el suelo y se colocaba un sistema de tubos
perforados en la base que dejaban pasar aire a través del suelo. Para
ciertas aplicaciones, aún se siguen utilizando variantes de este diseño.
La primera patente de esta tecnología se registró en 1934, para el tra-
tamiento de compuestos olorosos. A partir de 1950 se publican los
fundamentos de la tecnología de la biofiltración y se difunde en los
Estados Unidos de América y Alemania occidental. En esta década, se
instalan biofiltros de tierra para el tratamiento de olores en California,
E.U.A. y en Nuremberg, Alemania (Leson y Winer 1991).
En la década de 1970, los nuevos diseños de biofiltros permitieron
mayores cargas de olores y compuestos volátiles. Estos diseños se desa-
rrollaron principalmente en Alemania y en los Países Bajos. Los siste-
mas seguían siendo abiertos pero con una modificación en la distribu-
ción del aire para evitar el taponamiento y se utilizaron nuevos mate-
riales de empaque, tales como mezclas de compostas y trozos de made-
ra. En los años 80 se desarrollaron sistemas cerrados, algunos con sis-
FIGURA 2. MECANISMO DE DEGRADACIÓN DEL CONTAMINANTE
Fase gaseosa
Fase sólida
Fase líquida/biopelícula
CG: AIRE CONTAMINADO
O
2
C
G
C0
2
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.38
39BIOFILTRACIÓN
temas de control computarizados y empleando medios filtrantes
inorgánicos novedosos, tales como el carbón activado granular, el
poliestireno y las cerámicas. A mediados de esa década se publican
también diferentes modelos matemáticos que permiten optimizar y
comprender mejor los sistemas de biofiltración (Ottengraff et al. 1986).
Posteriormente, a nivel laboratorio, el estudio de la biofiltración per-
mitió hacer de ésta una tecnología versátil para el control de diversos
compuestos volátiles (CV), como son los compuestos halogenados, no
halogenados, alifáticos, aromáticos, compuestos que contienen azufre
(H2S), óxidos de nitrógeno, amoniaco y algunos compuestos que con-
tienen cloro (HCl). Entre estos compuestos están los orgánicos como
alcoholes, cetonas, alcanos, derivados del benceno y compuestos clorados.
La acetona, el benceno, el butanol, el diclorometano, el etanol, el etileno,
el hexano, el isopropanol, el isopentano, el metano, el metanol, el genol,
el propano y el tolueno son ejemplos de estos compuestos..Con el avan-
ce del estudio en la biofiltración, la lista de los compuestos que pueden
ser tratados mediante esta tecnología fue aumentando, hasta incluir al-
gunos compuestos que alguna vez fueron considerados como difícil-
mente biodegradables, como el metil tert butil éter (MTBE), un com-
puesto oxigenado presente en las gasolinas reformuladas.
A su vez, la evolución de los diseños de los biofiltros ha permitido
el tratamiento de mayores cargas de contaminantes. Ejemplo de ello
son los biofiltros que se han instalado en Alemania y en los Países
Bajos. La optimización de los bioreactores también ha sido posible
mediante el estudio de diversos materiales filtrantes que proporcionan
el medio adecuado para el desarrollo de los microorganismos y entre
los que se encuentran materiales orgánicos (como compostas, turbas y
suelos contaminados) o bien materiales sintéticos (carbón activado
granular, poliestireno y cerámicas). En los últimos años, las investiga-
ciones se han enfocado a la creación de sistemas con mejor control de
los procesos, al estudio de las cinéticas de degradación de los com-
puestos recalcitrantes o bien al estudio de modelos matemáticos que
permiten optimizar y comprender mejor los sistema de biofiltración.
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.39
40 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
Existen actualmente numerosas aplicaciones a nivel industrial de la
biofiltración para una gran variedad de aplicaciones, como es el caso de los
Estados Unidos de América, Canadá, Alemania, Holanda, Italia, Nueva
Zelanda, Dinamarca, Australia, Inglaterra, Colombia y México (Devinny
et al. 1999, Leson y Winer 1991, Revah y Hugler 1998). La tendencia
actual involucra el perfeccionamiento de la biofiltración tradicional hacia
equipos de alto desempeño para el tratamiento de emisiones con concen-
traciones altas de compuestos recalcitrantes utilizando microorganismos
previamente seleccionados y adaptados. Sin embargo, existen pocos re-
portes acerca de la implementación de este tipo de procesos a nivel indus-
trial y, por consiguiente, de las técnicas de escalamiento correspondientes.
TIPOS DE BIOFILTROS
Los equipos empleados para la purificación biológica de gases pueden
subdividirse en tres tipos: biofiltro de lecho fijo (BLF), biofiltro de lecho
escurrido (BLE) y biolavadores. Esta clasificación se basa en las condi-
ciones en las que se encuentran los microorganismos en el sistema y del
patrón de flujo de la fase líquida, tal y como se muestra en el cuadro 4.
CUADRO 4. CLASIFICACIÓN DE LOS BIOFILTROS EN FUNCIÓN
DE LA FASE LÍQUIDA Y BIOLÓGICA
TIPO DE BIOFILTRO FASE BIOLÓGICA FASE LÍQUIDA
Biolavador Dispersa En movimiento
Biofiltro de lecho escurrido Inmovilizada En movimiento
Biofiltro de lecho fijo Inmovilizada Inmovil
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.40
41BIOFILTRACIÓN
Las características de cada uno de estos equipos aparecen a conti-
nuación.
Biofiltro de lecho fijo
Los biofiltros de lecho fijo (BLF) constan de un lecho empacado que se
conoce como material filtrante y que puede ser sintético u orgánico, que
sirve como soporte para los microorganismos y en el caso de los orgáni-
cos como fuente de nutrientes para el crecimiento microbiano. Ejem-
plos de materiales filtrantes utilizados en este tipo de filtros son rocas
porosas, tierra de diatomeas, perlita, tierra, trozos de maderas, diferentes
tipos de compostas, residuos orgánicos tales como cáscaras de cacahua-
te, de arroz o de coco, fibra de caña de azúcar, entre otros. El principio
de los biofiltros de lecho fijo consiste en hacer pasar la corriente gaseosa
saturada de humedad que contiene al contaminante a través del lecho en
donde los contaminantes son degradados por los microorganismos. En
la figura 3 se muestra un esquema de un biofiltro de lecho fijo. Una
característica importante de los BLF es la ausencia de la fase acuosa mó-
vil que los hace convenientes para tratar contaminantes muy poco solu-
FIGURA 3. ESQUEMA DE UN BIOFILTRO DE LECHO FIJO
Empaque
Aire tratado
Aire
contaminado
Humidificador
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.41
42 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOSO R GÁNICOS VOLÁTILES
FIGURA 4. ESQUEMA DE UN BIOFILTRO DE LECHO ESCURRIDO
bles en agua. Es importante mencionar que la huella física de los BLF es
mayor con respecto a los otros tipos de biofiltros.
Biofiltro de lecho escurrido
El biofiltro de lecho escurrido (BLE) consiste de una columna empacada
con un soporte inerte (usualmente de material cerámico o plástico) donde
se desarrolla la biopelícula. A través del lecho se alimenta una corriente
gaseosa que contiene al sustrato por biodegradar y una corriente líquida
que es comúnmente reciclada a través del lecho y que tiene la función de
aportar nutrientes esenciales a la biopelícula, así como de remover los
productos de degradación de los microorganismos. Estos sistemas se reco-
miendan para compuestos solubles en agua. El diagrama de operación de
este sistema se muestra en la figura 4. Los BLE tienen similares ventajas
que los biolavadores, ya que la recirculación del líquido facilita la elimina-
ción de los productos de reacción así como un mayor control sobre el
proceso biológico a través del control del pH y la composición del medio
líquido. La operación de absorción y biodegradación del contaminante en
Empaque
Aire tratado
Aire
contaminado
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.42
43BIOFILTRACIÓN
los BLE se lleva a cabo en un solo reactor, lo cual los pone en ventaja sobre
los biolavadores respecto a la huella física y la operación del mismo. Se ha
reportado que en ambos sistemas el principal problema de operación es la
solubilización del gas en la fase acuosa, aunque es menos crítico en los
BLE. En la figura 5 se observa un biofiltro de lecho escurrido, Biocyd-3,
uno de los más grandes del mundo para la remoción de azufre, CS2 y H2S
en Monterrey, México.
Biolavador
A diferencia de los biofiltros, en los biolavadores el compuesto a de-
gradar primero es absorbido en la fase líquida localizada en una torre
de absorción llena de líquido. La operación consiste en hacer fluir el
gas a contracorriente a través del líquido, donde los contaminantes y
el O2 son absorbidos. Posteriormente el líquido es alimentado a un
reactor empacado de un material inerte cubierto de la película biológi-
ca encargada de degradar al contaminante (figura 6). Los BL son los
sistemas más adecuados para el tratamiento de compuestos muy solu-
bles en agua. Las principales ventajas de los biolavadores son: a) la
recirculación del líquido que favorece la no acumulación de produc-
tos que pudieran tener efectos nocivos para los microorganismos y b)
la facilidad de control del proceso biológico a través de la composi-
ción del medio líquido. Sin embargo, el requerimiento de dos equi-
pos, uno para la absorción y otro para la biodegradación del contami-
nante, los hace poco convenientes con respecto a los biofiltros de le-
cho escurrido.
En el cuadro 5 se resumen las ventajas y desventajas de los tres tipos
de biofiltros antes mencionados. La selección del sistema adecuado
deberá hacerse considerando las características de la corriente gaseosa
a tratar, la eficiencia de remoción esperada y los costos involucrados.
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.43
44 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
FIGURA 6. ESQUEMA DE UN BIOLAVADOR
FIGURA 5. BLE BIOCYD 3 PARA LA REMOCIÓN DE AZUFRE,
CS2 Y H2S EN MONTERREY, MÉXICO
Aire
Oxidación
Aire
tratado
Absorción
Aire
contaminado
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.44
45BIOFILTRACIÓN
CUADRO 5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE BIOFILTRACIÓN
TIPO DE BIOFILTRO
Biofiltro
de lecho fijo
Biolavador
Biofiltro
de lecho escurrido
VENTAJAS
Altas superficies de contacto
gas-líquido.
Fácil arranque y operación.
Bajos costos de inversión.
Soporta periodos sin alimen-
tación.
Conveniente para operación
intermitente.
No produce agua de desecho.
Mejor control de la reacción.
Posibilidad de evitar acumu-
lación de subproductos.
Equipos compactos.
Baja caída de presión.
Control de concentración de
sustratos.
DESVENTAJAS
Poco control sobre fenómenos de
reacción.
Baja adaptación a altas fluctuacio-
nes de flujo de gas.
Grandes volúmenes de reactor.
No conveniente para tratamiento
de contaminantes cuyos subpro-
ductos son compuestos ácidos.
Baja densidad celular.
No soporta periodos sin alimenta-
ción.
Genera lodo residual.
Necesidad de aireación extra.
Altos costos de inversión, opera-
ción y mantenimiento.
Necesidad de suministrar
nutrientes.
Baja densidad celular.
(Continúa)
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.45
46 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
PARÁMETROS DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE
BIOFILTRACIÓN
Los principales parámetros de diseño de un sistema de biofiltración
son los siguientes:
. Características del gas contaminante (concentración, flujo, presen-
cia de partículas, temperatura).
. Selección del material filtrante.
. Contenido de humedad del material filtrante.
. Microorganismos.
Características del gas contaminante
Las características del gas a tratar son muy importantes en la determina-
ción de la eficiencia de remoción de un sistema de biofiltración. Con
CUADRO 5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE BIOFILTRACIÓN
TIPO DE BIOFILTRO
Biofiltro
de lecho escurrido
(continúa)
VENTAJAS
Posibilidad de evitar acumu-
lación de subproductos.
Equipos compactos con res-
pecto a los BLF y BLE.
Baja caída de presión.
Alta transferencia de oxígeno
y del contaminante.
DESVENTAJAS
Generación de lodos.
No resiste periodos sin
alimentación.
Necesidad de suministrar nutrientes.
Altos costos de inversión,
operación y mantenimiento.
Taponamiento por biomasa.
Producción de agua de desecho.
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.46
47BIOFILTRACIÓN
base en la concentración del gas contaminante se puede seleccionar el
tipo de biofiltro. Generalmente para los sistemas de biofiltración se ha
considerado que el rango de concentración óptimo de 0 a 5 g/m3, sin
embargo, en los últimos años se han reportado sistemas de biofiltración
capaces de degradar concentraciones mayores. Respecto a la temperatu-
ra del gas contaminante, si es mayor a 40 ºC será necesario un proceso
de pretratamiento para reducirla, pues puede verse afectado el proceso
metabólico de los microorganismos responsables del proceso de descon-
taminación. Los sistemas humidificadores tienen en estos casos la doble
función de aumentar la humedad relativa y de reducir la temperatura
del gas a tratar. Finalmente, es necesario evaluar la presencia de partícu-
las con el fin de evitar el taponamiento del lecho filtrante a su paso por
éste. En presencia de la obstrucción, las partículas pueden ser removidas
en un proceso previo ya sea por sedimentación (ciclón) o por absorción
en una columna empacada.
Lecho filtrante
Para los biofiltros de lecho fijo (BLF) y de lecho escurrido (BLE), el
lecho filtrante es el hábitat de la población microbiana. Considerando
el volumen de estos sistemas es recomendable considerar materiales de
gran disponibilidad en el sitio de operación del sistema así como un
bajo costo.
En general, se prefiere que los materiales filtrantes contengan los
nutrientes necesarios para el metabolismo microbiano, sin embargo
en ausencia o baja concentración de estos pueden adicionarse median-
te solución de nutrientes. Para los BLF esta solución se agrega periódi-
camente por aspersión. Para los BLE, las soluciones minerales se agre-
gan al líquido en movimiento.
El tamaño de partícula, es decir su distribución y geometría del
poro, debe proporcionar una mayor área superficial para la rápida trans-
ferencia del contaminante a la fase acuosa y una fracción considerable
de espacios huecos para limitar las caídas de presión.
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.47
48 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
El material filtrante debe tener una buena capacidad de retención de
agua, ya que los microorganismos requieren de una importante cantidad
de agua para crecer.El rango óptimo de humedad del material filtrante en
sistemas de biofiltración se considera entre 40 y 60%. Un bajo contenido
en el lecho filtrante reduce el espesor de la biopelícula y merma la activi-
dad microbiológica y, por consiguiente, la actividad del biofiltro. Por otro
lado, un elevado contenido de humedad puede crear una saturación, pro-
vocando zonas anaerobias o incrementar la caída de presión.
Finalmente, el pH de estos sistemas debe ser regulado ya que nu-
merosos procesos de oxidación generan productos ácidos, básicos o
inhibitorios, como los compuestos clorados, azufrados y amonio entre
otros. En general la capacidad amortiguadora se logra mediante la adi-
ción de compuestos tales como carbonatos de calcio o como conchas
de ostión para los BLF o mediante la adición de soluciones amorti-
guadoras líquidas en el caso de los BLE.
Aspectos microbiológicos de la biofiltración
La capacidad de degradación de los microorganismos involucrados en
estos procesos depende de las características de los contaminantes. Para
compuestos o mezclas biogénicas es fácil encontrar, por su ubicuidad,
microorganismos que degraden los contaminantes a partir de suelos
contaminados, lodos activados y compostas. Para la biodegradación
de compuestos más recalcitrantes es necesario realizar un proceso de
selección para encontrar microorganismos eficientes para la oxidación
de los contaminantes. Para compuestos altamente recalcitrantes, como
algunos aromáticos y ciertos clorados de alto peso molecular, se re-
quiere la presencia de otros compuestos orgánicos para poder realizar
la oxidación, proceso que se conoce como co-metabolismo. Las fuen-
tes más comunes para encontrar los microorganismos necesarios para
el proceso son generalmente las plantas de tratamiento de agua que
reciben las descargas de las industrias en donde se generan estos conta-
minantes.
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.48
49BIOFILTRACIÓN
En los procesos biológicos para el control de aire contaminado no
es posible considerar la esterilización del gas por motivos económicos.
Por lo tanto, las poblaciones dentro de los equipos deben ser capaces
de oxidar los contaminantes en condiciones altamente competitivas
de no esterilidad.
La reacción bioquímica que describe el proceso de biofiltración se
presenta a continuación, en donde el contaminante presente en fase
gas sería el sustrato.
Biomasa + sustrato = biomasa + CO2 + H2O
X + S = dX + CO2 + H2O
La lista de especies presentes en sistemas de biofiltración es larga y
depende de diversos aspectos, tales como el inóculo inicial, el material
filtrante, los contaminantes a tratar y el tiempo de aclimatación. En el
cuadro 6 se presenta una lista de microorganismos comúnmente utili-
zados para el tratamiento biológico de gases, mientras que la figura 7
muestra una fotografía de un material filtrante.
APLICACIONES DE LA BIOFILTRACIÓN
Actualmente, existen numerosas empresas dedicadas al diseño, construc-
ción y operación de sistemas de biofiltración a escala industrial. Los re-
portes de finales de la década de 1990 indicaban que tan solo en Alemania
y en los Países Bajos se encontraban más de 500 biofiltros instalados a
nivel industrial. Desde entonces la lista ha aumentado considerando los
biofiltros en operación para diversas aplicaciones en países tales como los
Estados Unidos de América, Inglaterra, Italia, México, Colombia, Finlan-
dia, Australia, entre otros (ver cuadro 7, páginas 53-54). Los biofiltros
instalados abarcan áreas que van desde 10 a 2,000 m2; tratando volúme-
nes de contaminantes en el rango de de 17 a 2,500 m3/min (Deshusses
2001).
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.49
50 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
CUADRO 6. MICROORGANISMOS MÁS COMUNES USADOS
PARA EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE GASES
Fuente: García-Peña et al. 2001, Groenestijin y Hesselink 1993.
BACTERIAS
Actinomicetes
Micrococcus cephalosporium sp.
Micromonospora vulgaris
Bacillus cereus
Streptomicetes sp.
Pseudomonas putida
Pseudomonas fluorescens
HONGOS
Actinomycetes
Penicillium sp.
Circinella
Cephalotecium sp.
Ovularia sp.
Stemphilium sp.
Scedosporium apiospermun
FIGURA 7. MICROGRAFÍA SEM DE MUESTRA DEL BIOFILTRO. EXOPOLÍMEROS
Fuente: Hernández 2002.
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.50
51BIOFILTRACIÓN
La biofiltración en México
En nuestro país existen algunos sistemas de biofiltración a nivel indus-
trial. La implementación de estos sistemas de biofiltración a nivel in-
dustrial fue realizada por el grupo industrial CYDSA, S.A. de C.V. a
partir de la experiencia adquirida a nivel laboratorio y planta piloto de
bioreactores diseñados y operados por el grupo de bioprocesos del
Área de Ingeniería Química de la UAM-Iztapalapa.
A continuación, se presentan las características de los sistemas de
biofiltración a nivel industrial instalados en México:
. Biofiltro de lecho fijo para el tratamiento de olores de una planta
de tratamiento de aguas residuales (Monterrey, México). Capaci-
dad de tratamiento de aire: 300 m3/min.
. Biocyd-3M. Dos reactores en serie, diseñado para concentraciones
altas de CS2.
. Biocyd-3. Posiblemete el biofiltro de escurrimiento más grande del
mundo. Se utiliza para la remoción de azufre, CS2 y H2S (Monterrey,
México). Capacidad de tratamiento de aire: 800 m3/min.
. Biocyd-VOC. Biofiltro de lecho escurrido diseñado para las el trata-
miento de COV provenientes de una imprenta (Monterrey, México).
En relación con la investigación básica y aplicada en biofiltración
en nuestro país, existen algunos grupos de análisis cuyas líneas de in-
vestigación se han enfocado tanto al estudio de fenómenos físicos,
químicos y biológicos de estos procesos como al diseño y aplicación
de sistemas de biofiltración. A la fecha se han realizado estudios para
tratar corrientes de aire contaminado como son: el tolueno, el acetato
de etilo, BTEX, el metanol, el isopropanol, el hexano, los vapores de
gasolina, MTBE y el etanol a nivel laboratorio y algunos a escala planta
piloto. En las figuras 8 a la 11 se muestran algunos de estos sistemas de
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.51
52 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
biofiltración. Actualmente, existen algunos grupos de investigación
enfocados a la biofiltración de aire contaminado entre los que se en-
cuentran los siguientes.
. Grupo de tratamiento biológico de aire contaminado de la Univer-
sidad Autónoma Metropolitana, Unidad Iztapalapa (UAMI), que
en colaboración con el Institute de Reserche pour le Développement
(IRD), ha desarrollado trabajo de investigación básico y aplicación
en la técnica de biofiltración (Acuña 2000, Acuña et al. 2002, Ortiz
et al. 2003, Cercado 2000, Hernández 2002, Magaña 2002, Mo-
rales 1999).
. Grupo de investigación en tratamiento biológico del Centro de
Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto
Politécnico Nacional (IPN), en donde también se realizan estudios
sobre materiales utilizados en biofiltración (Ramírez López et al.
2003, Kennes y Thalasso 1998, Thalasso et al. 2000, Thalasso et
al. 2001).
. Grupo de biotecnología del Instituto Mexicano del Petróleo,
específicamente en el área de biotecnología del petróleo, en donde
se busca optimizar la degradación de compuestos recalcitrantes
como el MTBE utilizando microorganismos obtenidos de diversos
lugares contaminados con gasolina (Morales et al. 2003, Morales
1999).
. Grupo de tratamiento de compuestos orgánicos volátiles del Cen-
tro Nacional de Investigación y Capacitación Ambiental del Insti-
tuto Nacional de Ecología, en donde se realizan estudios para la
caracterización de materiales utilizados en sistemas de biofiltración
y estudios a nivel piloto para el tratamiento de fuentes fijas inter-
mitentes de compuestos orgánicos volátiles tóxicos (Cárdenas et al.
2001).
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.52
53BIOFILTRACIÓN
CUADRO 7. APLICACIONES DE LA BIOFILTRACIÓN AESCALA INDUSTRIAL
EN DIFERENTES PAÍSES
PAÍS
Alemania
Australia
Austria
Canadá
Colombia
Dinamarca
Estados Unidos de
América
TIPO DE EMISIONES DE COV
Tratamiento de olores
Olores de pegamento en la fabricación de zapatos
Producción de especia para sopas
Sabores y fragancias
Tratamiento de olores, COV y compuestos tóxicos
Sabores y fragancias
Producción de abrasivos
Fermentación de levadura
Aromatizantes de baño
Tratamiento de olores y bioremediación
Tratamiento de COV y algunas emisiones tóxicas
Tratamiento de aguas residuales
Tratamiento de olores de la industria alimenticia
Producción de levaduras
Tratamiento de olores
Tratamiento de COV, remoción de partículas originadas
de la descomposición de aceites
Tratamiento de olores
Tratamiento de COV
(Continúa)
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.53
54 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
PAÍS EMISIONES DE COV TRATADAS
Fuente: Biofilter systems 2001 y Vladimir et al. 2002.
CUADRO 7. APLICACIONES DE LA BIOFILTRACIÓN A ESCALA INDUSTRIAL
EN DIFERENTES PAÍSES
Francia
Holanda
Italia
México
Reino Unido
Tratamiento de COV y olores causados por químicos
Tratamiento de olores
Tratamiento de emisiones industriales
Producción de concreto polímero
Tratamiento de olores
Producción de composta para crecimiento de hongos
Sabores y fragancias
Secadores por aspersión
Ventilación de cuartos
Tratamiento de emisiones con formaldehído y olores emitidos
por la industria alimentaria
Producción de celofan y rayón
Tratamiento de aguas residuales
Sabores para alimentos
Secadores por aspersión
Producción de composta
Sabores y fragancias
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.54
55BIOFILTRACIÓN
FIGURA 8. BIOFILTRO DE LECHO ESCURRIDO PARA EL TRATAMIENTO DE METANOL
UAM-I
F
ot
o:
 T
re
jo
 2
00
1
.
FIGURA 9. BIOFILTRO DE LECHO FIJO PARA EL TRATAMIENTO DE PENTANO,
TOLUENO Y METANOL UAM-I
F
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o:
 G
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cí
a 
2
0
0
2
.
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.55
56 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE COMPUESTOS O R GÁNICOS VOLÁTILES
FIGURA 10. BIOFILTRO DE LECHO FIJO PARA EL TRATAMIENTO DE VAPORES DE
GASOLINA UAM-I
F
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o:
 H
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 2
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0
2
.
FIGURA 11. BIOFILTRO DE LECHO FIJO PARA EL TRATAMIENTO DE THINER+
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2
00
1
.
Cenica-COV-Cap 3final.p65 24/09/03, 11:08 a.m.56
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