Este estudio evalúa el uso del dispositivo Kunak AIR Pro para el monitoreo continuo de compuestos odorantes en una planta de tratamiento de aguas residuales y un vertedero.
Los resultados demuestran que los sistemas basados en sensores son herramientas efectivas para monitorear y gestionar compuestos odorantes, proporcionando información clave para la implementación de medidas correctivas y la mejora de la calidad del aire.
I. Lara-Ibeas*, J. Fernández-Huerta y E. Ibarrola-Ulzurrun
Kunak Technologies, Polígono Parque Empresarial la Muga, 9, 31160 Orcoyen, Navarra
Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.
Editor académico: Carlos N Díaz.
Calidad del contenido: Este artículo científico no ha sido revisado por pares.
Citación: I. Lara-Ibeas*, J. Fernández-Huerta y E. Ibarrola-Ulzurrun, 2024, Aplicación de sistemas basados en sensores para la medición continua y precisa de odorantes a bajas concentraciones , ODORA24 Conference, Barakaldo, Spain, www.olores.org.
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ISBN: pendiente
Palabras clave: olor, sulfuro de hidrógeno, amoniaco, EDAR, vertedero
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Resumen
Este estudio investiga el uso del dispositivo Kunak AIR Pro para la monitorización continua de odorantes en una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) y un vertedero. Para estas aplicaciones, el sistema, basado en sensores, se equipó con sensores electroquímicos para sulfuro de hidrógeno (H2S) y amoníaco (NH3) y un detector de fotoionización (PID) para compuestos orgánicos volátiles (COV), además de sondas para monitorizar presión, temperatura, humedad relativa, y velocidad y dirección del viento. En la EDAR, el equipo se desplegó durante un mes y las mediciones de H2S se compararon con las de un analizador de H2S. Los resultados mostraron una alta correlación (R²=0.77) y un MAE y MAPE de 6.9 ppb y 125%, respectivamente. Las diferencias observadas se atribuyeron en parte a la presencia de compuestos orgánicos de azufre, tales como mercaptanos, no detectados por el analizador de H2S, pero sí por el sensor de H2S. Posteriormente, el sistema se instaló en un vertedero en Lisboa para identificar episodios de olor y posibles fugas. Las mediciones continuas de NH3, H2S y COVs junto con los datos de dirección y velocidad del viento revelaron variaciones temporales y permitieron identificar la ubicación potencial de fuentes de emisión. Este estudio demuestra que los sistemas basados en sensores son herramientas efectivas para el monitoreo y gestión de compuestos odorantes, proporcionando información crítica para la implementación de medidas correctivas y la mejora de la calidad del aire.
1. Introducción
El olor se ha vuelto una preocupación creciente debido a la industrialización y la conciencia pública sobre el entorno limpio. Aunque los compuestos responsables del olor no suelen ser tóxicos a bajas concentraciones, la exposición prolongada puede causar náuseas, dolores de cabeza, y problemas respiratorios (Naddeo et al., 2012) afectando la calidad de vida de las personas. Los estudios de impacto de los olores son cada vez más comunes, sin embargo, los métodos utilizados para estos estudios requieren personal especializado y solo proporcionan mediciones puntuales. Para superar estas limitaciones, han surgido nuevas tecnologías como los Sistemas Instrumentales de Vigilancia del Olor (SIVO), que permiten mediciones continuas y en tiempo real a un coste reducido. Estos sistemas están empezando a utilizarse en diversas aplicaciones como estaciones de tratamiento de aguas residuales (EDAR), vertederos, plantas de pulpa y papel o petroquímicas (Prudenza et al., 2023). Sin embargo, el monitoreo de odorantes en entornos industriales con SIVOs presenta desafíos debido a la presencia de otros compuestos que pueden interferir con la detección de odorantes y a las variaciones de las condiciones ambientales que afectan a los sensores de bajo coste (McKercher et al., 2017) y que pueden comprometer la precisión de las mediciones. Por ello, mitigar las influencias ambientales y los compuestos cross-sensibles es esencial para medir con precisión las bajas concentraciones de odorantes.
Este trabajo presenta la utilización del sistema Kunak AIR Pro, basado en sensores, para la monitorización continua de odorantes en una EDAR y un vertedero. Durante la campaña de monitoreo en la EDAR, las mediciones se compararon con las obtenidas por un analizador de H2S con el objetivo de caracterizar las prestaciones de este sistema basado en sensores. En el vertedero, se realizó un análisis combinado de las concentraciones de NH3, H2S y VOCs y la velocidad y dirección del viento para caracterizar las emisiones en el perímetro de la instalación e identificar la posible lo localización de sus fuentes.
2. Materiales y métodos
En este estudio se utilizó un dispositivo Kunak AIR Pro (ver figura 1a) para la monitorización de odorantes. Este sistema puede medir hasta cinco contaminantes gaseosos en tiempo real, con sensores configurables mediante cartuchos Plug&Play. Para la gestión de olores, se equipó con sensores electroquímicos para la detección de sulfuro de hidrógeno (H2S) y amoníaco (NH3), y un detector de fotoionización (PID) para compuestos orgánicos volátiles (COV). Además, el dispositivo incluye sondas para monitorizar la presión, temperatura, humedad relativa, y velocidad y dirección del viento. Los sensores fueron calibrados de fábrica y se realizó una corrección de línea base en campo antes de comenzar las campañas de monitorización.
Para evaluar el Kunak AIR Pro en la medición de H2S, se realizó una campaña en una EDAR en Madrid, del 22 de diciembre de 2022 al 17 de enero de 2023. El equipo Kunak AIR Pro se instaló junto a un analizador de H2S (Medor, Chromatotec), cada 5 minutos y promediándolos por hora para alinearse con la frecuencia de muestreo del analizador. Por último, el equipo Kunak AIR Pro fue instalado en un vertedero en Lisboa (Portugal) para identificar episodios de emisión de odorantes y fugas y mejorar la gestión de olores en la instalación. Concretamente, el equipo fue instalado en el perímetro de la planta de biogás contigua al vertedero (marcada con una cruz en la figura 1b).
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| Fig. 1. Sistema de monitorización Kunak AIR Pro (a) y mapa del caso de estudio (b). La cruz representa la localización del Kunak AIR Pro. | |
3. Resultados y discusión
3.1 Comparación con el analizador de H2S
La variación temporal de las concentraciones de H2S medidas tanto por el Kunak AIR Pro (línea azul) como por el analizador de H2S (línea roja) se ilustra en la Figura 2. En general, los niveles de H2S se mantuvieron por debajo de 100 ppb, con una concentración media de 15 ppb. Algunos picos ocasionales fueron observados el 4 de enero, alcanzando niveles que oscilaron entre 200 y 956 ppb. Los niveles de H2S medidos por el dispositivo Kunak fueron muy similares a los registrados por el analizador de H2S, tal y como muestra la alta correlación obtenida (R²= 0.77) a pesar de las bajas concentraciones medidas durante el estudio comparativo. Además, se calcularon el Error Absoluto Medio (MAE) y el Error Porcentual Absoluto Medio (MAPE), siendo 6.9 ppb y 125%, respectivamente. Considerando las bajas concentraciones, no es sorprendente ya que un error de 1 ppb en 1 ppb representaría un 100% de error. Es importante señalar que las diferencias observadas entre el sensor y el analizador de H2S (ver recuadro amarillo de la figura 2) podrían deberse a la presencia de compuestos orgánicos de azufre, como el metil mercaptano, a los cuales el sensor de H2S también es sensible y el analizador de H2S no es capaz de detectar. Estos compuestos suelen estar presentes en las EDAR y son también responsables del olor (Li et al., 2021) por lo que es relevante su monitorización en el contexto de la gestión del olor. Para confirmar esta hipótesis, se compararon los datos del sensor de COV junto con los del sensor de H2S, ya que el sensor de COVs es también sensible a estos compuestos. Se observó que la respuesta de ambos sensores coincidía perfectamente en este período, confirmando la presencia de compuestos orgánicos de azufre. De esta forma, la utilización de estos sensores de H2S y COV dentro del mismo dispositivo puede proporcionar información adicional que ayude a identificar la presencia de otros compuestos odorantes como los mercaptanos.
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| Fig. 2. Niveles de H2S medidos por el Kunak AIR Pro (línea azul) y el analizador de H2S (línea roja). Vista ampliada de los niveles de H2S medidos los días 11 y 12 de enero (recuadro amarillo). |
3.1 Caso estudio: vertedero
El sistema Kunak AIR Pro fue desplegado en el vertedero para la monitorización continua de NH3, H2S y VOCs. En la figura 3 se muestra la variación temporal de la concentración de NH3 y H2S durante los días del 10 al 19 de febrero de 2024. Durante ese período, la concentración de NH3 fue generalmente inferior a 2 ppm, con algunos picos aislados el 16, 17 y 18 de febrero, que alcanzaron los 4 ppm, y un pico más significativo el 10 de febrero, llegando a los 8 ppm. Los niveles de H2S se mantuvieron por debajo de 60 ppb la mayor parte del tiempo, con algunos picos por encima de 120 ppb los días 14 y 18 de febrero.
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| Fig. 3. Niveles de NH3 medidos en ppm (línea azul) y de H2S medidos en ppb (línea roja) |
Gracias a la monitorización en continuo, es posible identificar periodos específicos en los que la concentración de contaminantes aumenta, lo que permite tomar medidas correctivas de manera inmediata. En este caso, la información sobre picos de NH3 y H2S puede ayudar a optimizar las operaciones de cubierta de residuos y ventilación. Además de las variaciones temporales, los gráficos polares pueden aportar información adicional que ayude a identificar la localización potencial de las fuentes de emisión. Estos gráficos (ver figura 4) representan la concentración media de los compuestos a la vez que la dirección y velocidad del viento. Como se puede observar, las concentraciones más altas de NH3, H2S y VOCs se registraron cuando el viento provenía del norte, aunque a diferentes velocidades. Las concentraciones de NH3 se midieron cuando la velocidad del viento era inferior a 2 m/s, lo que indica la proximidad de su fuente de emisión. Por otro lado, las concentraciones de VOCs se detectaron a partir de 3 m/s, sugiriendo una fuente de emisión más lejana. En cambio, el H2S se registró en todo el rango de velocidades del viento (1-4 m/s), lo que sugiere la existencia de múltiples fuentes de emisión a distintas distancias en esa dirección. Además, se registraron concentraciones relativamente altas de VOCs cuando el viento soplaba desde el este a una velocidad moderada. Estas emisiones podrían proceder de las estaciones de servicio ubicadas cerca del vertedero en esa dirección, como se ilustra en la figura 1b.
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| Figura 4. Gráficos polares de las medias horarias NH3, H2S y VOCs. |
Al correlacionar las medidas en continuo de concentraciones de contaminantes con la dirección y velocidad del viento, se puede tener una idea más precisa la ubicación de las fuentes de emisión. Esto es crucial para implementar medidas de control específicas en las áreas correctas.
4. Conclusiones
Este trabajo muestra las prestaciones del sistema Kunak AIR Pro basado en sensores para monitorizar y caracterizar las bajas concentraciones de compuestos odorantes en diferentes aplicaciones. En la EDAR, se evaluó el rendimiento del sistema para monitorizar H2S comparándolo con un analizador de H2S, mostrando un coeficiente de correlación alto de 0.77 y un MAE de 6.9 ppb, demostrando la fiabilidad y precisión de este sistema para el monitoreo de H2S.
En un vertedero se demostró cómo el despliegue de un sistema de estas características con sensores de COVs, H2S y NH3 y datos meteorológicos proporcionó información valiosa sobre las variaciones temporales y la distribución espacial de estos compuestos en el caso de estudio, así como sobre la posible localización de fuentes de emisión. Este estudio demuestra que los sistemas de monitorización basados en sensores pueden proporcionar información crucial para implementar medidas que minimicen el impacto ambiental y aborden posibles problemas de olor.
5. Referencias
Li, R., Han, Z., Shen, H., Qi, F., Ding, M., Song, C., Sun, D., 2021. Emission characteristics of odorous volatile sulfur compound from a full-scale sequencing batch reactor wastewater treatment plant. Science of The Total Environment 776, 145991. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145991
McKercher, G.R., Salmond, J.A., Vanos, J.K., 2017. Characteristics and applications of small, portable gaseous air pollution monitors. Environmental Pollution 223, 102–110.
Naddeo, V., Belgiorno, V., Zarra, T., 2012. Odour Characterization and Exposure Effects, in: Odour Impact Assessment Handbook. John Wiley & Sons, Ltd, pp. 7–29. https://doi.org/10.1002/9781118481264.ch2
Prudenza, S., Bax, C., Capelli, L., 2023. Implementation of an electronic nose for real-time identification of odour emission peaks at a wastewater treatment plant. Heliyon 9.