Eliminación de microcontaminantes orgánicos presentes en aguas residuales urbanas mediante mbr combinado con oxidación avanzada y con filtración por membranas

Zusammenfassung

En muchas regiones del mundo con escasez de agua, la reutilización de los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) se convierte en una alternativa cada vez más extendida y deseable. En los últimos años, gracias al desarrollo de técnicas analíticas avanzadas capaces de detectar contaminantes a muy baja concentración, se ha puesto en evidencia la presencia de microcontaminantes en los efluentes de las EDAR. Dado que las investigaciones recientes han demostrado que tienen efectos adversos sobre el medio ambiente y la salud humana, es necesario el uso de un tratamiento terciario para el refinado de estas aguas, a fin de evitar que los microcontaminantes (MCs) lleguen al agua de riego y a los cuerpos de aguas naturales. Se trata en muchos casos de sustancias de uso cotidiano como productos farmacéuticos y de cuidado personal, plastificantes, pesticidas, retardantes de llama, drogas de abuso, surfactantes, nanomateriales, entre otros. Todo ello probablemente relacionado con su uso masivo por parte de la población y por la deficiencia de los tratamientos biológicos actuales, que no fueron diseñados para hacer frente a este tipo de contaminantes. La tecnología de biorreactores de membrana (MBR) comprende la combinación del sistema convencional de lodos activados con la filtración mediante membranas, obteniendo un permeado de alta calidad con una elevada tasa de degradación de los microcontaminantes. No obstante, algunos son más refractarios al tratamiento MBR. Por lo tanto, es necesario un tratamiento adicional para la eliminación y la oxidación de los compuestos refractarios, que pueden ser los procesos con membrnas ó procesos de oxidación avanzados (POA), que se basan principalmente en la generación de radicales hidroxilo (HO∙) con un alto potencial oxidativo y baja especificidad, capaces de mineralizar y degradar una gran variedad de compuestos orgánicos. Entre los POAs, la ozonización es un proceso en el que la oxidación puede tener lugar a través de vías directas e indirectas. Mientras que la vía directa de la oxidación se produce por medio de ozono molecular, durante la vía indirecta se produce a través del radical hidroxilo generado por la descomposición de ozono. Otro POAs, como el caso de la fotólisis es un proceso en el que las moléculas de MCs sufren descomposición como resultado de la absorción de luz o radiaciones. Existen dos tipos de fotólisis, la fotólisis directa en la que la absorción directa de los fotones conduce a la degradación de los contaminantes y la fotólisis indirecta que se produce en presencia de fotosensibilizadores que absorben la luz y generan radicales oxigenados reactivos que realizan la degradación de la sustancia objetivo. Las tecnologías de membranas de NF y OI a través de la aplicación de una presión hacen que el agua depurada pase a través de la membrana y los MCs se queden retenidos. La optimización de las tecnologías existentes y el desarrollo de nuevas técnicas para el tratamiento con membranas han surgido como una importante innovación para el tratamiento y la recuperación de efluentes de EDAR. En los últimos años esta optimización ha recibido mucha atención por parte de investigadores y fabricantes. Esta atención tuvo como resultados una mejora de los materiales y técnicas de membranas, que proporcionan con el pasar de los años una disminución considerable del coste de las membranas, optimización de los parámetros operacionales para minimizar el potencial de ensuciamiento de la membrana, reducción del consumo energético, etc. Además de la notoria evolución de la tecnología de membranas y de la obtención de efluentes con elevada calidad, cabe resaltar el potencial para la separación de Mcs presentes en el agua. El principal objetivo de la presente investigación es buscar una combinación de tecnologías que pueda maximizar la eliminación/degradación los contaminantes emergentes de las aguas residuales, para ello se emplea un sistema combinado que consiste en una planta piloto de MBR, alimentada con aguas residuales sintéticas, de características similares a la urbana, para evaluar la eliminación de los MCs a diferentes edades del lodo. Los efluentes obtenidos se tratan mediante procesos adicionales de filtración (NF y OI), ozonización y radiación UV para eliminar los contaminantes refractarios, y su posterior comparación en cuanto a rendimiento de eliminación/degradación de los 30 MCs seleccionados. Para este estudio se utilizó un MBR a escala laboratorio de 90 L, con un módulo de membranas sumergido interno, de fibra hueca de microfiltración, con un tamaño de poro de 0,4 µm y una superficie filtrante de 1 m2. El afluente utilizado es un agua residual sintética dopada con los 30 microcontaminantes seleccionados, pertenecientes a las familias de triazinas, organoclorados, fármacos, hormonas, productos de cuidado personal, surfactantes, parabenos y plastificantes. Además se ha operado a tiempos de retención celular de 30 y 60 días. Para los post-tratamientos se utilizó un generador de ozono Modelo Anseros, COM-AD-01 con una generación efectiva de 4 g O3/h @ 100NL∙h-1, acoplado a una de columna de 0,75 L para el contacto ozono-agua. Para la realización del tratamiento UV se utilizó un fotoreactor de la marca UV-Consulting peschl España con una lámpara de baja presión (LP) con una potencia regulable de 5-20 W, con emisiones UV de 185 – 254 nm. El sistema de filtración consiste en un módulo de células con agitación Amicon, los cuales son un soporte de filtros que posee juntas tóricas. A este módulo se acoplaron membranas de NF (FILMTEC NF270) y OI (FILMTEC XLE-2521) con el objetivo de filtrar los efluentes del MBR. La mayoría de los compuestos se eliminaron/degradaron mediante el sistema MBR, sin embargo algunos compuestos resultaron refractarios al tratamiento MBR como la simazina, atrazina, terbutilazina, linuron, alacloro y lindano, pertenecientes al grupo de triazinas y organoclorados, mientras que en el grupo de fármacos y hormonas, la carbamazepina, diclofenaco y 17-α-etinilestradiol son los compuestos refractarios al tratamiento MBR principalmente debido a sus condiciones hidrofílicas y a la persistencia de sus grupos funcionales. Según los resultados obtenidos en este estudio la dosis óptima para la ozonización fue de 16 mg O3.L-1, ya que con ésta se obtuvieron rendimientos superiores al 91% de eliminación de los compuestos refractarios, principalmente para los fármacos. Los resultados obtenidos en este estudio muestran que la dosis óptima UV fue de 5.374 mJ∙cm2, ya que con ésta se obtuvieron altos rendimientos combinado con un pretratamiento MBR se obtuvo rendimientos superiores a 87% de eliminación de los compuestos biorefractarios, siendo los organoclorados y triazinas los mejores eliminados. Debido a que el tratamiento MBR y la oxidación UV u O3 son capaces de eliminar MCs por diferentes mecanismos de degradación, un sistema híbrido que involucre MBR + UV u O3 puede aprovechar su naturaleza complementaria. La oxidación UV y O3 puede complementar muy bien el tratamiento MBR, resultando en más del 85% de eficiencia de eliminación de los 30 MCs seleccionados en este estudio, incluyendo aquellos que son mal eliminados por tratamiento MBR u oxidación con UV u O3 cuando se implementan por separado. El sistema MBR+ NF obtuvo rendimientos superiores al 83%, mientras que la configuración MBR+OI presentó rendimientos superiores al 96% de separación del agua producto. De hecho, el tratamiento con membrana NF/OI complementa muy bien el tratamiento con MBR, y la mayoría de los 30 MCs seleccionados en este estudio se eliminaron por debajo de los límites de detección. En este trabajo de investigación se muestran cuatro posibles combinaciones de tecnologías para la eliminación/degradación de los MCs presentes en las aguas residuales urbanas, pero se deja bien claro que la selección de la tecnología depende del tipo de agua a tratar, los tipos de microcontaminantes que estén presentes y el uso final de ese efluente, además de otros aspectos técnicos y económicos.