sistema para el control de olores en la central hidroeléctrica el paraiso

SISTEMA PARA EL CONTROL DE OLORES EN LA CENTRAL
HIDROELÉCTRICA EL PARAISO
NOMBRE DE LOS AUTORES
Rodolfo Quintero Romero (1)
Ingeniero Agrónomo de la Universidad Nacional de Palmira, Master en Economía Ambiental y de
los Recursos Naturales de la Universidad de Agricultura de Suecia; Especialista en Derecho del
Medio Ambiente; Curso Internacional “Auditor Líder EMS ISO 14000 IRCA – 2017”. 25 años de
experiencia en los sectores publico y privado. Jefe División Medio Ambiente de Emgesa.
Carolina Del Toro Hernández (2)
Ingeniera Civil de la Universidad de los Andes con Master Ing. Civil en el Área Ambiental; Curso
Internacional “Auditor Líder EMS ISO 14001 IRCA ”. Cinco años de experiencia en los sectores
público y privado: Asesora de la Corporación Autónoma de Cundinamarca CAR. Profesional
División Medio Ambiente de Emgesa.
Dirección (1): Carrera 11# 82-76 Piso 3 – Chicò – Bogotà – Cundinamarca – Código postal
Colombia -Tel: (+571) 219-0336 - Fax: (+571) 636-4312; email: rquinter@emgesa.com.co
RESUMEN
En diciembre de 2001 Emgesa decide implementar la tecnología de biofiltración en la Central El
Paraíso, con el fin de mitigar el impacto asociado a la percepción de olores ofensivos en las
comunidades ubicadas en los alrededores. Los olores se generan por el despojamiento del sulfuro
de hidrógeno de las aguas turbinadas del río Bogota, caracterizado por su déficit de oxigeno
disuelto y la consecuente anaerobiosis de sus aguas. En éste trabajo se documenta la experiencia
de Emgesa en su incursión en la implementación del sistema de biofiltración, los resultados
obtenidos durante el 2005, y su comparación con la línea base de emisión de olores, previa a la
construcción del sistema. La información presentada presenta el aporte significativo de este
proyecto al desarrollo de la biofiltración en Colombia, por ser la más importante experiencia, a
escala industrial, desarrollada en el país.
PALABRAS CLAVE
BIOFILTRACIÓN Proceso biológico utilizado para el tratamiento de compuestos volátiles orgánicos
e
inorgánicos
presentes
en
una
corriente
o
fase
gaseosa,
ANAEROBIOSIS Condición de ausencia de oxígeno en la que la materia orgánica es degradada
produciendo
dióxido
de
carbono,
metano
y
ácido
sulfhídrico,
COMPOST Material proveniente de la degradación de materia orgánica en presencia de oxigeno
(compostaje) de residuos de cultivos de flores.
INTRODUCCIÓN
La Central Hidroeléctrica El Paraíso está localizada en inmediaciones de la población de Mesitas
del Colegio, departamento de Cundinamarca, a 45 km al suroeste de Bogotá. La Central hace parte
de la Cadena Pagua la cual aprovecha el caudal del río Bogotá para la generación en cascada de
dos centrales: EL Paraiso y La Guaca. El agua del río es bombeada al embalse de El Muña para
ser conducida a través de aproximadamente 15 km de tubería, aprovechando una caída de agua de
892 m, desde del embalse del Muña hasta la Central El Paraíso.
La Cadena se encuentra en operación comercial desde 1986, desde entonces la calidad del agua
del río Bogotá ha cambiado drásticamente. Éste cuerpo de agua recibe las descargas de aguas
residuales de todos los municipios ubicados en su cuenca alta y, en su cuenca media, la descarga
de las aguas servidas de la ciudad capital: Bogotá. En la actualidad el Río, a la altura del embalse
del Muña (ubicado en el extremo sur occidental de la ciudad) se caracteriza por su déficit de
oxigeno disuelto y la consecuente anaerobiosis de sus aguas con los problemas de indisponibilidad
del recurso y mala calidad asociados a ésta.
Las aguas tubinadas durante el proceso de generación en la Central El Paraíso son descargadas a
un Tanque de Aquietamiento, estructura construida como una piscina abierta en concreto de 42m
de longitud, 21m de ancho y 9,5 m de profundidad donde reposan las aguas turbulentas antes de
ser conducidas a la Central La Guaca. El turbinado favorece las condiciones para el transito del
sulfuro de hidrógeno (H2S), de su fase acuosa a una gaseosa, generando emisiones de malos
olores y presencia de corrosión en los alrededores; impacto que se evidenciaba al máximo en el
Tanque de Aquietamiento.
DESCRIPCION DEL PROCESO
Los procesos utilizados para remover H2S de corrientes gaseosas residuales involucran ya sea un
tratamiento físico o una oxidación química. Algunos métodos tradicionales requieren la adición de
químicos, mientras que otros, demandan un alto consumo de energía. Estos métodos tradicionales
suelen ser menos efectivos y más costosos.
En los últimos años la biofiltración se ha desarrollado efectivamente para el control de olores,
incluyendo emisiones de H2S en corrientes de gases residuales diluidas. A pesar de que la
biofiltración ha demostrado ser una tecnología eficiente, práctica y simple para el tratamiento de
efluentes gaseosos, los parámetros de diseño y operación, como también los procesos
microbiológicos que envuelve no están muy bien definidos.
Durante el proceso (figura 1), el aire contaminado pasa a través de los macroporos del material
filtrante. La degradación de los contaminantes ocurre previa transferencia del aire a una biopelícula
en donde son utilizados como fuente de carbono y energía (compuestos 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.
Figura 1: Esquema del sistema de biofiltración.
Los mecanismos que permiten que un biofiltro trabaje, y que deben controlarse para garantizar su
éxito, son complejos. El biofiltro contiene un material poroso cuya superficie esta cubierta con agua
y microorganismos. El tratamiento inicia con la transferencia del contaminante desde al aire hasta
la fase acuosa. El contaminante disuelto se mueve por difusión y por advección en el aire (ver figura
2).
Figura 2. Dinámica del proceso de biofiltración
IMPLEMENTACION DEL SISTEMA
En diciembre de 2001 Emgesa decide implementar la tecnología de biofiltración en la Central El
Paraíso como un sistema para reducir, en un porcentaje superior al 90%, las emisiones de sulfuro
de hidrógeno en el Tanque de Aquietamiento y mitigar el impacto generado por la percepción de
olores ofensivos en los alrededores de la Central.
Las obras finalizaron en enero de 2003 con la puesta en marcha de una unidad de biofiltración
constituida por: un sistema de confinamiento (cubrimiento del tanque de aquietamiento) y
conducción del gas (tuberías PVC), un sistema mecánico para la extracción activa del gas por
medio de tres extractores y un sistema biológico constituido por dos lechos en tierra (denominados
A y B aislados del suelo natural con geomembrana) constituidos por una mezcla de suelo orgánico
y gallinaza como medio de soporte. En las Figuras 3.1 y 3.2 se observa la configuración del
Sistema original. Durante los seis primeros meses el sistema original operó aceptablemente
evitando que el olor a H2S fuera perceptible en la Central y sus alrededores. A partir del sexto mes
empezaron a presentarse fallas tanto del sistema mecánico como del biológico con la consecuente
disminución de la eficiencia de remoción obtenida. Las fallas presentadas pusieron en evidencia la
poca experiencia práctica disponible sobre la operación y mantenimiento de biofiltros a largo plazo
en zonas tropicales, la escasa literatura en el tema y la necesidad de establecer metodologías de
prueba y error en la aplicación de correctivos para estabilizar las condiciones óptimas de
operación.
Figuras 3.1- 3.2. Sistema de biofiltración original
Durante el 2004 se plantearon diversas hipótesis sobre el origen de las bajas eficiencias
presentadas y sus correctivos asociados y se implementaron múltiples medidas que no ofrecieron
los resultados esperados: generaban periodos cortos de recuperación de la eficiencia que
demostraron no ser sostenibles en el tiempo.
En octubre de 2004 se inició un programa de optimización que contemplaba la implementación de
un sistema mejorado que permitiera: homogeneizar las condiciones de carga y caudal para la
operación de varios biofiltros de igual volumen, operando en paralelo, de tal forma que se facilitara
la realización de los mantenimientos permitiendo intervenir un lecho a la vez sin tener que
suspender la operación de todo el sistema.
En febrero del 2005 entra en funcionamiento el sistema optimizado con una configuración de cuatro
lechos abiertos, con bases y paredes en concreto recubierto para protegerlo de la corrosión,
alimentados por un cabezal de repartición que distribuye la mezcla homogénea del gas a cada
biofiltro y, mediante válvulas independientes, impide el ingreso del gas a cualquiera de ellos sin
afectar a los demás. Cada uno de los biofiltros se conformó con un lecho de 106 m3 de una mezcla
30 / 70 de compost de palo de clavel y de rosa, respectivamente. En las figuras 4.1 a 4.4 se
presenta la configuración del sistema implementado.
Figuras 4.1- 4.4. Sistema de biofiltración optimizado
Las obras de optimización contemplaron:
▪ Construcción de dos biofiltros de iguales dimensiones (#3 y #4) a partir del antiguo biofiltro B
▪ Adecuación del antiguo biofiltro A, hoy nuevo biofiltro # 2 y construcción del biofiltro #1
▪ Optimización del sistema de distribución del gas (instalación de un cabezal para confinamiento y
distribución homogenea de carga y caudal)
▪ Construcción de pisos en concreto y canaletas para encofrar la tubería del anillo de distribución
del gas en todos los biofiltros y mejoramiento del sistema de drenaje
▪ Construcción de estructura en concreto y tubería metálica para soporte del sistema de
nebulización y una carpa en lona para cubrimiento de los 4 biofiltros
Este sistema de cuatro biofiltros iguales operando en paralelo bajo las misma condiciones de carga
y caudal, ofrece una superficie de tratamiento equivalente a 400m2 para tratar una carga de H2S
equivalente a 18.7 g/m3-h, permite la depuración de los gases1 mediante la remoción de los
contaminantes responsables de la generación de olores ofensivos. Los cuatro biofiltros están en
capacidad de tratar en conjunto, el volumen total de gas extraído del tanque de aquietamiento,
fueron diseñados bajo los siguientes criterios:
▪
▪
▪
▪
La carga de sulfuro de hidrógeno a tratar en ellos no debe ser mayor a 20 g/m3-h.
Igualmente el tiempo de residencia no debe ser inferior a 15 segundos con un tiempo de
residencia en lecho vacío de 30 seg.
Altura calculada en 1 metro a partir de un tiempo de residencia en lecho vacío de 40
segundos (valor de seguridad)
Lechos conformados con una mezcla 9:1 de compost de palo de clavel y palo de rosa
como material de soporte. El compost de clavel fue tamizado para retirarle partículas
menores de 4 mm y se seleccionó el de palo de rosa con el fin de utilizar un tamaño de
partícula entre 5 y 10 cm de longitud para mejorar la porosidad y dar estructura al lecho.
Figura 5. Perfil de las unidades de biofiltración
TALUD PIEDRA
PEGADA
COLUMNA
PASARELA
.15
.32
RELLENO MATERIAL
GRANULAR Y CICLÓPEDO
.32
.32
SOCADO EN
CONCRETO POBRE
.32
2
VIGA
.3
ESPESOR
VARIABLE
.3
CICLÓPEO
140 kg/cm²
TERRENO
NATURAL
MEDICIONES Y SEGUIMIENTO A LA EFICIENCIA DEL SISTEMA
Como antesala al diseño y construcción del Sistema se llevó a cabo, por parte de la firma
contratista, una campaña de medición de los gases liberados en los alrededores de la Central,
cuyos resultados sirvieron como referencia para el diseño y construcción del Sistema de
Biofiltración de la central El Paraíso y para establecer la línea base de emisión de gases azufrados.
Después de su entrada en operación se han realizado diferentes jornadas de monitoreo de las
concentraciones de H2S en los alrededores de la Central para la medición de las emisiones
residuales, provenientes del sistema de biofiltración. Como metodología para el monitoreo y
seguimiento de las emisiones de H2S, se implementó un protocolo de monitoreo que garantice la
medición confiable de las concentraciones de sufuro de hidrógeno residual en el aire ambiente de
los alrededores de la central Paraíso, en un perímetro de afectación equivalente a un radio de 1 km,
aproximadamente, alrededor del Tanque de Aquietamiento.
1
El H2S es el principal gas asociado con la generación de olores ofensivos, no obstante la contaminación de río Bogotá
genera la volatilización de otros compuestos gaseosos mercaptanos, tolueno, benceno, metano etc.
Los monitoreos se realizan bimestralmente2 para un total de 6 monitoreos al año. En cada punto, se
realizan mediciones en tres intervalos del día (mañana, tarde y noche) durante tres (3) días
consecutivos con la Central en generación. Para el monitoreo se empleará un equipo de medición
con precisión de 0,001 ppmv y rango de 0,003 a 50,0 ppmv. (marca Jerome 631-X) con el fin de
registrar concentraciones bajas cercanas al límite inferior del umbral de percepción humano.
Adicionalmente y con el fin de realizar el minucioso seguimiento de los parámetros relevantes para
la operación del sistema se implemento una rutina de mediciones diarias de los parámetros de
control cuyo seguimiento es clave para mantener la eficiencia de un biofiltro. Dichos parámetros y
su importancia se describen a continuación y en la Tabla 1, se resumen las condiciones de
operación en los que debe operar el biofiltro para su seguimiento:
Humedad: El contenido de humedad en un biofiltro es quizá el parámetro más importante bajo el
control del operador. El descuido en el contenido de humedad o las dificultades para controlarla son
las causas más comunes de mal funcionamiento de los biofiltros. Una humedad adecuada garantiza
el establecimiento de las comunidades microbiológicas responsables de la degradación de los
contaminantes gaseosos; por el contrario, un bajo contenido de humedad equivale a un medio hostil
para el desarrollo de las mismas.
La medición de éste parámetro se realiza utilizando una balanza halógena. El cálculo del contenido
de humedad del material de soporte se realiza con base en lo establecido en la NTC 17763 a partir
de la diferencia de peso de la muestra con respecto a su peso seco (base seca).
Temperatura: La actividad microbiana y el éxito de un biofiltro están altamente influenciados por la
temperatura. El conjunto de reacciones fisicoquímicas que se llevan a cabo en los biofiltros, para la
degradación del H2S, son óptimas cuando la temperatura se incrementa. La temperatura del
material de soporte se mide, directamente sobre el sustrato a 50cm de profundidad, utilizando un
sensor de temperatura.
pH: El efecto del pH sobre el funcionamiento del biofiltro es muy similar al efecto de la temperatura.
Cada especie de microorganismos es más activa en cierto rango de pH y puede ser inhibida o morir
si las condiciones salen de ese rango. El pH se determina, directamente sobre el sustrato,
utilizando un equipo de medición portátil con electrodo de cloruro de potasio.
Concentración de H2S: La medición periódica de la concentración de H2S en el efluente permite
calcular la eficiencia del tratamiento, verificar que se mantenga en valores superiores al 90% y
establecer la efectividad del mismo. Para efectos del cálculo de la eficiencia del sistema se
considera una concentración entrante de 500 ppmv calculada a partir de los valores de
concentración máxima (1000 ppmv según mediciones previas a la construcción realizadas por
ESCO de Latinoamérica ) y mínima registradas (250 ppmv, de acuerdo con mediciones de la
Universidad de los Andes en el 2005) y considerando la dilución, con aire ambiente, presentada al
interior del Tanque de Aquietamiento.
Tabla 2. Rangos de operación y parámetros de control para un biofiltro típico
Altura del lecho
Área del biofiltro
Caudal de aire
Porosidad
Tiempo de residencia efectivo
Temperatura
Humedad relativa del aire
Eficiencias de remoción típicas
Contenido de humedad del soporte
pH del soporte
2
1 - 1.5 m
1 - 3000 m2
50 - 300000 m3/h
50.0 %
15 - 60 seg
25 - 35°
> 98 %
90 – 100%
40 - 70 %
1-6
Las mediciones se realizan siempre que haya generación de energía a plena carga, bajo las condiciones más criticas de
liberación de H2S.
3
Norma Técnica Colombiana para la determinación del contenido de humedad total.
RESULTADOS
En éste resumen se presentan los resultados obtenidos en el primer año de operación del sistema
de biofiltración optimizado en el 2005, y su comparación con el Sistema instalado originalmente
(2001). En este contexto la información presentada representa un aporte significativo al desarrollo
de la biofiltración en Colombia, por ser una de las pocas aplicaciones a escala industrial instaladas
en el país.
Los monitoreos operativos realizados diariamente como parte del seguimiento de los biofiltros,
durante el periodo comprendido entre la puesta en marcha del sistema optimizado (febrero-05) y
enero del 2006, registraron eficiencias de remoción promedio superiores al 93%.
Con la operación del sistema de biofiltración implementado se encontró que la eficiencia de
remoción se máximiza cuando el contenido de humedad es igual o mayor al 50 % p/p y el rango de
pH se mantiene entre 1.5 y 2 es el óptimo para obtener la mayor remoción de H2S posible.
La mezcla de compost utilizada como material de soporte ha presentado un buena capacidad de
adsorción de agua, alta porosidad y resistencia estructural. No obstante debe trabajarse en una
mejor relación de mezcla que mejore las condiciones de porosidad del material a largo plazo
evitando su compactación y consecuente caída de presión.
Después de 9 meses de operación continua de los biofiltros se empezó a detectar la presencia de
terrones de compost compactado los cuales, en su interior, tenían un polvo de color amarillo. Los
terrones pusieron en evidencia la presencia de azufre elemental al interior del material de soporte
como producto de las reacciones de oxidación realizadas al interior de los lechos. De lo anterior se
pudo concluir que el equilibrio de las reacciones de oxido reducción en el sistema, tendió hacia la
producción de azufre antes que a la precipitación de sulfatos, lo cual resulta favorable si se tiene en
cuenta que se disminuye el porcentaje de sulfatos susceptible de convertirse en vertimiento ácido
en caso presentarse un exceso de agua en el sistema.
Grafica 1. Eficiencias de remoción del sistema de biofiltración
E. R, %
EFICIENCIA DE REMOCION %
100
90
80
E. R (Cin=500ppm)
E. R (Cin=250ppm)
19/12/05
05/12/05
21/11/05
07/11/05
24/10/05
10/10/05
26/09/05
12/09/05
29/08/05
15/08/05
01/08/05
18/07/05
04/07/05
20/06/05
06/06/05
23/05/05
09/05/05
25/04/05
11/04/05
28/03/05
14/03/05
28/02/05
70
Periodo de estabilización
del Sistema de biofiltración
Por otra parte, los monitoreos realizados en los exteriores de la Central Paraíso evidencian que el
sistema de biofiltración cumple con las expectativas de eficiencia para las que fue concebido (por
encima del 90%). En la tabla 2 se observa, al comparar los monitoreos con la línea base (antes de
la implementación del sistema de biofiltración original), que la mayor eficiencia de mitigación se
obtiene en los monitoreos realizados después de la optimización del Sistema (febrero de 2005).
Tabla 2. Comparativo de los monitoreos de concentraciones registradas en los alrededores
de la Central Paraiso con la línea base.
Punto
Casino
Escalera
de
la
Rebosadero (parte
Esquina tanque de
aquietamiento
Anclaje
19
de
tubería de carga
Monitoreo
Linea Base Bioservice DicREDUCCION
C. inicial H2S
03
EMISIONES%
C. H2S
(p.p.m.)
(p.p.m.)
Monitoreo
Velzea Abril05
C. H2S
(p.p.m.)
REDUCCION
EMISIONES%
0,005
99%
Monitoreo
Emgesa Julio REDUCCION
05
EMISIONES%
C. H2S
(p.p.m.)
0,032
Monitoreo
Emgesa
Octubre -05
C. H2S (p.p.m.)
REDUCCION
EMISIONES%
0,007
99%
0,544
3,000
94%
55,500
8,333
85%
0,137
100%
0,064
100%
0,056
100%
80,444
7,000
91%
0,218
100%
0,354
100%
2,154
97%
100%
49,778
8,000
84%
0,629
99%
0,493
99%
0,212
Pondaje
0,344
0,000
100%
0,007
98%
0,022
94%
0,014
96%
Casa Ricardo Mora
0,166
0,000
100%
0,005
97%
0,005
97%
0,051
69%
Escuela El Paraíso
Casa
Graciela
Linares
Casa de Carlos
Julio Hernández
Escuela
Antioqueñita
PROMEDIO
0,220
0,000
100%
0,015
93%
0,007
97%
0,015
93%
0,100
0,000
100%
0,004
97%
0,003
97%
0,004
96%
0,289
10,667
-3592%
0,003
99%
0,004
99%
0,006
98%
0,000
2,000
94%
-
98%
0,003
98%
0,003
94%
P e r c e p c ió n d e l o lo r a H 2 S :
N o s e p e rc ib e o lo r
O lo r s u a v e
O lo r m o d e r a d o
O lo r fu e rte
0 ,0 0 3
0 ,0 0 7
0 ,0 3 1
0 ,1 6 0
0 ,0 0 6
0 ,0 3 0
0 ,1 5 0
La biofiltración, involucra procesos biológicos de degradación difícilmente reproducibles al momento
de cambiar las condiciones del entorno. Lo anterior dificulta, en gran medida, el establecimiento de
protocolos de operación y mantenimiento lo que la convierte en una tecnología en desarrollo y de
implementación casi experimental. Determinar las condiciones en que se maximiza la eficiencia de
un biofiltro particular, requiere de un seguimiento estricto a los parámetros de control, así, mediante
la realización de monitoreos diarios y el minucioso seguimiento de los cambios que se presenten en
su operación es posible determinar un patrón de funcionamiento y por ende establecer y predecir
los requerimientos de dicho Sistema.
Los sistemas de biofiltración son únicos e irreplicables. Sin embargo, cada nueva incursión en la
aplicación industrial de esta tecnología nos acerca un poco más al entendimiento de las variables
que aseguran el óptimo funcionamiento de estas unidades; que aunque han demostrado ser una
alternativa eficiente, práctica y eficaz para el tratamiento de efluentes gaseosos, en países
tropicales como el nuestro, no tiene muy definidos los parámetros para su diseño y operación.