Eliminació de H2S mitjançant biofiltres percoladors : millora de la transferència d'oxigen

Abstract

In the current energy crisis and climate change context, energy use of biogas has gained relevance, since it is possible to get energy from waste, and also minimizes the emission of methane into the atmosphere. However, biogas contains between 0.1-0.5% v / v H2S (1000-5000 ppmv), which must be removed in order to produce energy because, apart from producing a strong odor, its combustion mighty generate highly corrosive species, harmful to health and the environment, such as sulfur oxides and sulfuric acid. In this sense, biological treatments have proved to be very competitive when compared to physicochemical techniques, since they do not require the addition of reagents, using the metabolism of microorganisms to oxidize potential contaminants. Oxygen transfer to the aqueous phase is key to the proper operation of biotrickling filters, since for each mole of hydrogen sulfide degraded two moles of oxygen are required. Under conditions of oxygen deficit in the liquid phase, the oxidation reaction is not complete, thus accumulating elemental sulfur (an intermediate product) in the filter packing material. Sulfur is an insoluble pasty solid and, therefore, its accumulation increases operating costs. Eventually, if corrective actions are not scheduled, the biofilter can become completely clogged. The biofiltration process of an industrial scale biotrickling filter, which eliminates between 2000-2500 ppmv H2S at a gas flowrate of 80 m3 h-1 has been studied. The reduction of 0.8 pH units in the operation reported a 78% reduction in water consumption, which is used to regulate the pH. The viability of the biological oxidation of sulfur accumulated on the computer was checked, eliminating 40% of the sulfur accumulated on the packed bed in 21 days. This study proposes the use of intensive aeration equipment such as venturi devices, in order to supply the necessary amount of oxygen to maximize the formation of sulfate. Sulfate is finally removed from the biofilter by purging the liquid phase. For this purpose, three commercial aeration devices have been tested: a membrane diffuser, a jet-venturi and an venturi-efector operating at conditions similar to those usually found in biofiltration of hydrogen sulfide. Experiments were carried out under conditions similar to those that occur in biofiltration of hydrogen sulfide present in biogas: pressure greater than atmospheric pressure and the presence of sulfate in the liquid phase. Also, the effect of venturi configuration was tested by measuring the pressure drop along the device. With the diffuser membrane the effect of adding a non-aqueous phase in order to maximize oxygen transfer and the use of pure oxygen instead of air was studied. An intensive gas-liquid contactor (jet-venturi) was selected based on its energy consumption and efficiency in oxygen transfer. This device was implemented in an industrial scale biotrickling filter, reporting an improved conversion to sulfate (32%), with a 78% reduction of air supply. The operation of the biofilter with the jet-venturi resulted in an improvement in robustness and reliability of the desulfurizing system. Finally, a mathematical model that predicts the formation of sulfur and sulfate was developed. This rigorous model approach had not been reported until now. The model was calibrated and validated in two biofilters: a lab-scale and an industrial scale. A satisfactory fitting of the experimental and simulated data was obtained.

En l’actual context de crisi energètica i canvi climàtic, l’aprofitament energètic del biogàs ha guanyat rellevància, donat que s’obté energia a partir dels residus i, alhora, es minimitza l’emissió de metà a l’atmosfera. Tanmateix, el biogàs conté entre 0.1-0.5 % v/v de H2S (1000–5000 ppmv), el qual ha de ser eliminat per tal d’aprofitar energèticament el biogàs, ja que, a part de desprendre una forta olor desagradable, al cremar és convertit en espècies altament corrosives, perjudicials per la salut i el medi ambient, com són els òxids de sofre i l’àcid sulfúric. En aquest sentit, els tractaments biològics han demostrat ésser molt competitius enfront les tècniques fisicoquímiques, ja que no requereixen l’addició de reactius, aprofitant el metabolisme dels microorganismes per tal d’oxidar els possibles contaminants. La transferència de l’oxigen a la fase aquosa és un factor clau per al correcte funcionament dels biofiltres percoladors, ja que per cada mol de sulfur d’hidrogen que es degrada són necessaris dos mols d’oxigen. En condicions de dèficit d’oxigen a la fase líquida, la reacció d'oxidació no es completa, i s’acumula sofre (producte intermedi) al material de rebliment de l’equip. El sofre és un sòlid pastós i, per tant, la seva acumulació augmenta els costos d’operació. Eventualment, si no es realitza una acció correctora, pot arribar a obturar totalment el biofiltre. S’ha estudiat el procés de biofiltració operant un biofiltre a escala industrial, que permet eliminar entre 2000-2500 ppmv de H2S amb un cabal de gas mitjà de 80 m3 h-1. La reducció del pH d’operació en 0.8 unitats ha reportat una reducció del 78 % del consum d’aigua, que s’usa per a la regulació del pH. S’ha comprovat la viabilitat de l’oxidació biològica de part del sofre acumulat a l’equip, eliminant el 40 % del sofre acumulat a l’equip en 21 dies. En el present estudi es proposa l’ús de dispositius intensius d’aeració, com són els dispositius venturi, per tal de poder subministrar la quantitat necessària d’oxigen per maximitzar la formació de sulfat. Aquest és posteriorment eliminat de l’equip mitjançant purgues de la fase líquida. Per a aquest fi s’han estudiat tres dispositius d’aeració comercials: un difusor de membrana, un ejector venturi i un jet venturi, en condicions d’operació similars a les que es donen en la biofiltració del sulfur d’hidrogen. S’han realitzat experiments en condicions similars a les que es donen en la biofiltració del sulfur d’hidrogen present al biogàs: pressió superior a l’atmosfèrica i presència de sulfat a la fase líquida. També s’ha estudiat l’efecte de la configuració del venturi, realitzant mesures de pèrdua de càrrega al llarg del dispositiu. Amb el difusor de membrana s’ha determinat l’efecte d’addicionar una fase no aquosa, per tal de maximitzar la transferència d’oxigen, i l’ús d’oxigen pur enlloc d’aire. L’equip que ha estat seleccionat, degut a la seva idoneïtat en base al seu consum energètic i l’eficàcia en la transferència d’oxigen, ha estat el jet venturi. Aquest dispositiu ha estat implementat en un biofiltre a escala industrial, reportant una millora en la conversió a sulfat del 32 %, amb una reducció del subministrament d’aire del 78%. L’operació del biofiltre amb el jet venturi s’ha traduït en una millora en la robustesa del sistema, ja que operant amb aquest dispositiu quan la càrrega d’entrada disminueix s’oxida parcialment el sofre acumulat a l’equip, mentre que amb el compressor, quan disminuïa el cabal de biogàs a tractar es parava l’entrada d’aire, empitjorant els problemes d’acumulació de sofre. Finalment, s’ha desenvolupat un model matemàtic que permet predir la formació de sofre i sulfat, fet que no havia estat reportat fins al moment. Aquest model ha estat ajustat i validat per dos biofiltres: un a escala laboratori i un a escala industrial. S’ha obtingut un ajust satisfactori de les dades experimentals i les simulades.