Resumen de Tratamiento de efluentes secundarios de edar mediante el proceso de foto-fenton solar: una propuesta de implementación basada en la operación de modo continuo
Ante un escenario de escases hídrica, el uso de aguas residuales correctamente depuradas surge como una alternativa para suplir el consumo de agua en la agricultura. No obstante, diversos reportes a nivel mundial han demostrado la presencia de sustancias antropogénicas, a bajas concentraciones (ng L-1, µg L-1), en cuerpos acuáticos. Tales sustancias, llamadas micro contaminantes (MPs, por su abreviación en inglés), están relacionadas con las descargas de aguas residuales no tratadas, pero también con los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR); porque las instalaciones actuales no pueden eliminar las moléculas recalcitrantes, especialmente a bajas concentraciones, lo que da lugar a la necesidad de instalar pasos de tratamiento adicionales.
Por lo tanto, la eliminación de los MPs presenta desafíos tecnológicos y económicos. A la fecha, se han probado varias tecnologías dentro de las que destacan los procesos de oxidación avanzados (AOP), especialmente el proceso de foto-Fenton, se han observado como una tecnología promisoria capaz de eliminar MPs. El proceso foto-Fenton consiste en la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno en presencia de especies de hierro, para producir radicales hidroxilo, que degradan los MPs por oxidación vía radical. Las especies de hierro están en un ciclo rédox gracias a la radiación UV que permite la foto-reducción, y cuando el proceso se opera con luz solar, el proceso tiene un valor agregado por el uso de una fuente renovable de fotones en lugar del uso de lámparas.
Además, en el desarrollo del proceso solar foto-Fenton, se han dado varios pasos para acoplarlo como tratamiento terciario en las EDAR. Uno de los más importantes fue la implementación de los reactores tipo raceway (RPR) para tratar aguas residuales urbanas, estos casos tienen como característica la operación con bajas concentraciones de hierro (5 mg L-1), que permiten tener profundidades de líquido variables; además de tiempos de tratamiento en el orden de decenas de minutos; por lo tanto, la operación en modo continuo apareció como el siguiente paso en la mejora de esta tecnología.
En este contexto, la presente tesis doctoral trata de la puesta en marcha de una planta para llevar a cabo la operación en modo continuo del proceso foto-Fenton solar, para degradar los MPs presentes en los efluentes secundarios de las EDAR municipales, así como la evaluación técnica, económica y ambiental de su operación. La tesis se divide en cuatro secciones principales relacionadas con los objetivos establecidos, 1) la operación a pH ácido, 2) la operación a pH neutro, 3) la comparación técnica y económica de ambas estrategias de operación y 4) la evaluación ambiental de la operación a pH ácido.
Esta tesis de doctorado se desarrolló completamente a escala piloto, probando por primera vez la operación en modo continuo del proceso solar foto-Fenton para la eliminación de MP presentes en los efluentes secundarios de la Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), con el fin de utilizar esta agua para fines agrícolas. Este trabajo contribuye al conocimiento al evaluar técnica, económica y ambiental de la operación en modo continuo, basado en resultados experimentales de dos estrategias de operación diferentes: la operación en pH ácido y neutro. La degradación de los MPs se evaluó midiendo las concentraciones antes y después del tratamiento de los MPs, presentes en efluentes secundarios reales.
La primera etapa experimental consistió en evaluar la operación a pH ácido. Para ello se utilizaron efluentes secundarios reales de la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) “El Bobar” y bajas concentraciones de reactivos (hierro 0.1 mM y peróxido de hidrógeno 0.88 mM)”, mostraron que, a un tiempo de residencia hidráulica de 80 min, con profundidades de líquido de 5 y 15 cm, era posible alcanzar porcentajes de eliminación de MPs de 89 y 87% para 5 y 15 cm, respectivamente. La duración de la operación en modo continuo fue de 4 h, donde no se apreció un efecto considerable de la diferencia de radiación a lo largo del día solar.
Posteriormente, para probar el efecto de la HRT en la degradación de los MP, la profundidad de líquido se fijó en 5 cm, y los tiempos de residencia hidráulicos probados fueron 20, 40 y 80 min, con degradaciones de 79, 84 y 89% para TRH de, respectivamente. Por lo tanto, en condiciones conservadoras, se puede esperar una capacidad de tratamiento de 450 L m-2 día-1 para un RPR de 5 cm de profundidad operado en modo continuo con un HRT de 40 minutos, durante 6 horas al día, en invierno.
Una vez demostrada la viabilidad de la operación a pH ácido, el siguiente desafío fue el estudio de la operación a pH neutro. Para operar la reacción a pH neutro, se seleccionó el ácido etilendiamin-N, N'-disuccínico (EDDS) como agente quelante para formar un complejo con hierro ferroso. El estudio relacionado con la operación en modo continuo, implicó la evaluación de la relación molar del complejo y el efecto del HRT en la degradación de los MPs, así como la estabilidad a corto plazo del proceso.
La experimentación se realizó en condiciones externas, durante 5 h de operación en modo continuo en un RPR de PVC (16 L, 5 cm de profundidad), midiendo los MPs presentes de manera natural en efluentes secundarios reales y sus respectivas degradaciones. Los efluentes secundarios se colectaron de la EDAR "El Bobar". Las concentraciones de reactivo se fijaron en 0,88 mM y 0,1 mM, para H2O2 y hierro, respectivamente, mientras que el EDDS se varió en valores de 0.1 y 0.2 mM de acuerdo con la relación molar evaluada.
La comparación entre las relaciones molares 1: 1 y 1: 2 reveló un incremento en la eliminación de MP del 6%, cuando la concentración de EDDS se duplica, señalando que, para la operación en modo continuo, es mejor mantener la proporción estequiométrica del complejo (1:1), evitando el incremento de los costos de reactivos.
Del mismo modo, el incremento de HRT de 20 a 40 min tuvo un incremento de la degradación de MP del 5%. En este contexto, la operación a HRT 20 min y relación molar 1: 1 parece la opción más adecuada, considerando el compromiso entre la degradación de MP y el costo de reactivo y la capacidad de tratamiento. Dichas condiciones de operación: HRT 20 min a 5 cm LD, y concentraciones de reactivo de 0.88 mM H2O2, 0.1 mM Fe (III) -EDDS (relación molar 1: 1), se replicaron por tres días consecutivos para demostrar la estabilidad a corto plazo del proceso, los resultados positivos de esta tarea demostraron una capacidad de tratamiento de 900 L m-2 d-1 con porcentajes de eliminación de MPs de alrededor del 60%.
A continuación, se realizó una comparación técnica y económica entre ambas estrategias de operación. Para hacer eso, se realizaron experimentos en condiciones externas, en un RPR de PVC (77 L), probando HRT de 15, 20 y 30 min a 15 cm de profundidad del líquido. Se utilizaron efluentes secundarios reales de la EDAR "El Toyo", y los MPs presentes en el efluente fueron monitoreados para determinar su degradación. Los reactivos se fijaron como 0,88 mM de H2O2 y 0,1 mM de hierro; para la operación a pH ácido, la fuente de hierro era sulfato ferroso y el complejo Fe (III)-EDDS en una relación molar 1:1 se usó para operar el reactor a pH neutro En la operación continua, la degradación de los MPs fue del 85 y 77%, tanto para pH ádico y neutro a HRT 30 y 20 min. Mientras que a los 15 minutos la degradación se ajustó en 75 y 72% para pH ácido y neutro, respectivamente. Como la degradación de los MPs tuvo resultados similares en las condiciones probadas, la evaluación económica juega un factor determinante en la selección de los parámetros de operación. Para proyectar cómo los parámetros de operación pueden afectar la degradación de los MPs y el costo del tratamiento, se usaron modelos cinéticos para predecir la degradación de los MPs bajo diferentes condiciones de operación y de esta manera calcular la capacidad de tratamiento y el costo del tratamiento;.tomando como moléculas modelo tres contaminantes: O-desmetiltramadol, O-desmetilvenlafaxina y gabapentina.
Los resultados de las simulaciones muestran que casi la misma degradación de MP, 80 y 77% para pH neutro y ácido, respectivamente, cuando el proceso se opera a HRT de 30 min en un líquido de 15 cm de profundidad, y considerando una operación de 7.5 h d-1 la capacidad de tratamiento alcanzada puede ser tan alta como 2250 L m-2 d-1. Adicionalmente, se propuso la neutralización de los efluentes ácidos de foto-Fenton pasándolo a través de una torre llena de CaCO3. Los experimentos de neutralización exhiben un valor de pH final de 6.8 con un tiempo de residencia de 4 min, además se demostró la viabilidad de neutralizar y eliminar el hierro en un solo paso. Además, dado que el CaCO3 se puede obtener de la industria de la piedra como un subproducto, el costo de la neutralización puede verse afectado positivamente.
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, el costo del tratamiento a pH ácido y neutro se puede estimar en 0.27 € m-3 y 0.60 € m-3, respectivamente. Esos valores están mayormente influenciados por el costo del reactivo, particularmente la fuente de hierro, y dado el alto costo del EDDS, la operación a pH ácido sigue siendo más barata para el mismo objetivo de degradación de MPs, en comparación con la operación a pH neutro.
Finalmente, la evaluación ambiental de la operación a pH ácido se realizó utilizando la metodología de análisis de ciclo de vida. Para hacer eso, se utilizaron un escenario de referencia y dos escenarios comparativos. El escenario de referencia implicaba la descarga de efluentes secundarios al mar y la extracción de aguas subterráneas para fines agrícolas; mientras que los otros dos escenarios suponían el tratamiento terciario de efluentes secundarios para utilizar el agua tratada en el riego agrícola. Los tratamientos terciarios seleccionados fueron la ozonización y el proceso solar foto-Fenton operado a pH ácido.
Los impactos ambientales cuantificados con ReCiPe y USEtox como métodos de evaluación del impacto del ciclo de vida (LCIA, por su abreviación en inglés), mostraron que el estrés hídrico de la ubicación del proyecto (Almería, España) puede reducirse mediante la instalación del tratamiento terciario, ya que evita la extracción de agua subterránea. En este sentido, de acuerdo con el método de punto final ReCiPe, la implementación de la ozonización puede reducir el 37% del daño ambiental.
El desempeño ambiental de la ozonización fue mejor en comparación con el proceso solar foto-Fenton, en términos de indicadores USEtox, el proceso de ozonización contribuye 2-4 veces menos que el proceso de foto-Fenton (CPC), y tres veces menos al cambio climático (ReCiPe, caracterización del punto medio). Debido al impacto de los reactivos foto-Fenton, especialmente el peróxido de hidrógeno genera más impactos que la producción de ozono. De esta manera, los reactivos foto-Fenton generan seis veces más impactos que la producción de ozono, según el método de puntos finales ReCiPe. Además, otros inconvenientes importantes como la liberación de CO2 durante el ajuste del pH (≈0.36 g CO2 eq L-1) y la necesidad de almacenamiento adicional para recolectar efluentes secundarios en la noche son temas que deben abordarse para disminuir los impactos relacionados con ellos.
Sin embargo, es importante notar que el uso de RPR en lugar de CPC implica una reducción del 24% de los impactos relacionados con la infraestructura, y la operación en modo continuo permite una disminución del 25% en el tamaño del reactor del RPR. Por lo tanto, a pesar de que se deben abordar otros desafíos para que sea una tecnología más atractiva, en términos ambientales, la implementación de RPR y la operación en modo continuo ha permitido el progreso del desempeño ambiental de esta tecnología.
