Eliminación de vapores de gasolina por biofiltración - Gobbée Tuli, María Cecilia (Universidad Autónoma Metropolitana, 2000)
This research studies the use of biofiltration for the elimination of gasoline vapors from an air stream. Biofiltration is an interesting alternative technology for three fundamental reasons: it is cheap, it has been proved to be effective for the elimination of VOCs and its applicability for the treatment of combusti5le vapors is still in development. The possible applications in soil remediation or to control gasoline emissions in gasoline stations could help to solve some of the serious air pollution problems in our community. In biofilters, the waste gas stream is forced to pass through a packed tower, which contains microorganisms in the packing material that degrade the contaminants present in the air stream, producing COZ and water as end products of the metabolic reactions. The aqueous phase is stationary and forms a thin layer around the particles of the packing material, allowing the microbial population to develop. The general objective of the project is to study the different operational stages that are present in a biofilter for the treatment of gasoline vapors during six months of operation. The experimental phase in the present document is divided in three parts: start up, operation of the biofilter and characterization of the system. For this purpose a 16.5 liter biofilter was used, packed with vermiculite and inoculated with a microbial consortium isolated from hydrocarbon polluted soil samples, which was previously adapted to gasoline as a sole source of carbon and energy. The inlet air flux was 8I,/min, with 2.1 min of residence time in the bioreactor and was previously humidified. A gasoline vapors generator was used for tile addition of the contaminants in the inlet air stream, in which the previously humidified air was bubbled through gasoline at a constant temperature. The measurement of the inlet and outlet gasoline concentration was done using a flame ionization detector for total hydrocarbons (methane based). The inlet gasoline concentration fluctuated between 800 and 1200 ppmcti4. During the experimental phase inlet concentrations up to 5000 ppm~~~4 wer:: reached. During the six months of operation the elimination capacity, removal efficiency, Col production, pressure drop and temperature in the inlet, outlet an in two points of the bed were followed. The elimination capacity and the removal efficiency were calculated from the inlet and outlet concentrations. The average values describing the experiment were: load I 1.7 gC/rn3,,,,,, h, elimination capacity (EC) 3 gC/m3reactor h, removal efficiency (RE) 25% and COZ production 2.7 gC/m reactor h. 3 The start up period lasted 22 days and presented four phases: adaptation, growth, stabilization and decay until a very low CE was reached. During the operation of the biofilter, six recirculations of water or mineral medium were done to reestablish the biofilter activity after dry up or nutrient limitations, with the consequent increment of the EC and ER. The addition of nutrients or water, proved to be an effective way for the maintenance of the biofilter activity during a long period of operation. The higher CE was 10.63 gC/m3r,,c,or h with a load of 34 gC/m3reactor h. The system presented an increase of the pressure drop at the end of the experimental phase and the temperature was constant even when the biofilter operated at high concentrations. The temperature of the gas decreased between 2 and 3°C as it passed through the beds, indicating an evaporative effect, probably as a result of a non saturation of the air stream during the humidification process. Each bed in the biofilter presented the same CE during the characterization of the system; this indicated that they had similar microbiological activity. Experiments with different loads and suspensions of load where done, after which the biofilter returned to the initial operating states. The biofilter had the capacity to remove up to 65% of the carbon fed at the system as total hydrocarbon; the remaining 35% was not degraded. Through the experiments in microcosms, it was determined that the microbial consortium did have the capacity of removing nearly all the compounds przsent in the gasoline vapors, considering the detection limits by chromatography, but the degradation of some of the compounds was very slow. Those slow degraded compounds could not be eliminated in the biofilter. Biofiltration is an emergent technology that could be used for air waste treatment with gasoline vapors, but still more research has to be done- in order to achieve better removal efficiencies and elimination capacities.; En el presente trabajo de investigación se estudia la biofiltración para el tratamiento de aire contaminado con vapores de gasolina. La biofiltración es una tecnología alternativa cuyo estudio es interesante por tres razones fundamentales: es económica, ha probado ser efectiva para la eliminación de COVs y su utilización para el tratamiento de vapores de combustibles está en desarrollo. Las posibles aplicaciones, en sitios de remediación de suelos o para controlar las emisiones de gasolina en gasolineras, pueden ayudar a resolver algunos de los graves problemas de contaminación que tiene el país. Un biofiltro es un sistema en donde la corriente gaseosa contaminada pasa a través de una torre empacada, que contiene los microorganismos que llevarán a cabo la oxidación del o de los contaminantes del gas. Los contaminantes son eliminados de la corriente mediante degradación microbiana, produciendo COZ y agua como productos finales de las reacciones metabólicas. La fase acuosa es estacionaria y forma una pequeña capa alrededor de las partículas del soporte, manteniéndolo húmedo y permitiendo el desarrollo de las colonias microbianas. El objetivo general del proyecto es el estudio de los diferentes estados de operación que presenta un biofiltro para el tratamiento de vapores de gasolina en un período de operación de seis meses. La fase experimental consta de tres partes: arranque, operación del biofiltro y caracterización del sistema. El biofiltro utilizado es de 16.5 litros, está empacado con vermiculita e inoculado con un consorcio microbiano proveniente de muestras de suelos contaminados con hidrocarburos previamente adaptado a gasolina como única fuente de carbono y energía. El flujo de aire alimentado al biofiltro es de 8L/min, con un tiempo de residencia en el reactor de 2.1 min. y es humidificado antes de ingresar al sistema. La adición de vapor de gasolina a la corriente gaseosa se lleva a cabo en un generador de vapores de gasolina, por burbujeo de aire a temperatura constante. El seguimiento de la concentración de gasolina a la entrada y salida del biofiltro se realiza con referellcia a hidrocarburos totales con un detector de ionización de flama para hidrocarburos totales (base metano). La concentración de gasolina alimentada al sistema fluctúa entre 800 y 1200 ppmc~4, a excepción de los experimentos de pruebas de carga en donde se utilizaron concentraciones hasta de 5000 ppmc~~. Durante los seis meses de operación del sistema se hizo seguimiento de la capacidad de eliminación, de la eficiencia de remoción, producción de COZ, caída de presión del sistema J temperatura a la entrada. salida y en dos puntos de los lechos. La capacidad de eliminación y la eficiencia de remoción se calcularon a partir del monitoreo de las concentraciones de HT a la entrada y salida del biofiltro. La carga promedio del sistema fue de 1 1.7 gC/m3reactor h, con una capacidad de eliminación (CE) de 3 gC/rnjreactor h, una eficiencia de remocih (ER) del 25% y una producción de CO? de 2.7 gC/mjreactor h. Como parte de los objetivos parciales del proyecto se determinó el período de arranque del sistema, que fue de 22 días. El período de arranque presentó cuatro fases: adaptacibn. crecimiento. estabilización y decaimiento hasta una estabilización a una CE menor. Durante la operación del biofiltro se llevaron a cabo 6 recirculaciones de agua o medio mineral para restablecer la actividad del biofiltro por secado y/o limitación de nutrientes, resultando en un incremento de la CE y ER posterior a las adiciones. La adición de nutrientes o agua fue una medida efectiva para mantener la actividad del biofiltro en un periodo de operación prolongado. El sistema presentó un incremento de la caída de presión al final de la etapa experimental y no se registró incremento de la temperatura, aún en altas concentraciones. La temperatura del gas iba decreciendo conforme avanzaba en los lechos, indicando un enfriamiento evaporative. probablemente no se alcanzó la saturación del aire en el sistema de humidificación. En la caracterización del sistema se distinguió que los cuatro lechos del biofiltro poseían actividad microbiológica similar, es decir, presentaron CE similares. Se hicieron experimentos de variaciones e intermitencia de carga después de las cuales el biofiltro pudo retornar a los estados de operación iniciales. A mayor carga se obtuvo una mayor CE. El biofiltro tuvo la capacidad de degradar hasta el 65% del carbono alimentado al sistema como hidrocarburos totales, 35% restante no fue degradado. A través de experimentos en microcosmos, se determinó que el consorcio microbian0 tiene la capacidad de degradar casi todos los compuestos presentes en los vapores de gasolina. hasta niveles detectables por cromatografia, pero la degradación de algunos compuestos es muy lenta. Aquellos compuestos de degradación lenta no pudieron ser eliminados en el biofiltro por cuestión de biodisponibilidad. aunque el consorcio en microcosmos tenía la capacidad de hacerlo. La biotiltración es un método que probó ser efectivo para el tratamiento de aire contaminado con vapores de gasolina, aunque es necesaria la investigación futura para incrementar las eficiencias de remoción y capacidades de eliminación.