Development of new tools for the agroindustrial effluent control: risk-hazard quantitation
- Autores: Simon Gutierrez Alonso
- Directores de la Tesis: Carlos Fernández Torija (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2008
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Gabriel Gascó Guerrero (presid.), Augusto Arce Martínez (secret.), Francisco Soler Rodríguez (voc.), José Vicente Tarazona Lafarga (voc.), Carles Barata Martí (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Los efluentes presentan, en la mayoría de las ocasiones, mezclas complejas y variables de compuestos químicos, convirtiendo la caracterización química completa, en una labor costosa, lenta e incluso imposible en algunos casos. Muchos de estos compuestos son eliminados mediante procesos de tratamiento de aguas residuales, sin embargo existen compuestos que pasan las plantas depuradoras inalterados pudiendo producir efectos negativos sobre los ecosistemas receptores e incluso provocar, debido a procesos de bioacumulación o transporte, efectos negativos sobre ecosistemas alejados de los focos de emisión. En esta tesis se han puesto a punto distintas metodologías que permiten predecir, no sólo la toxicidad global de un efluente, sino también la capacidad de bioconcentración y persistencia de los compuestos presentes en el mismo. A su vez, se ha puesto a punto un modelo matemático que permite predecir el impacto negativo que pueden producir los efluentes sobre los ecosistemas en los medios receptores aunando los parámetros de toxicidad, persistencia y bioconcentración, representando los valores obtenidos mediante sistemas de información geográficos (SIG). La tesis está estructurada en cuatro capítulos. En el primer capítulo se plantearon tres objetivos: seleccionar una fibra de micro-extracción en fase sólida (SPME) capaz de extraer un elevado número de sustancias; comprobar la capacidad del SPME junto con la cromatografía de gases y espectrofotometría de masas (GC/MS) como método de rastreo de contaminantes; y por último, poner a punto metodologías de SPME-GC/MS para la cuantificación de distintos grupos de contaminantes. La fibra compuesta por DVB/CAR/PDMS mostró una mayor eficiencia para los compuestos seleccionados. Se constató mediante el método rastreo de contaminantes, la enorme cantidad de compuestos detectados en las muestras recogidas siendo una elevada proporción de éstos, sustancias que se utilizan en la fabricación de perfumes y cosméticos. Los métodos de cuantificación desarrollados mostraron buenos coeficientes de correlación así como bajos límites de detección y cuantificación. Los resultados de los ensayos de recuperación mostraron una gran variabilidad que podría ser atribuida a la gran cantidad de materia orgánica presente en las muestras. El segundo capitulo presenta una metodología para evaluar la persistencia de efluentes basándose en los ensayos estandarizados de biodegradación para sustancias individuales. Los parámetros estudiados durante el ensayo fueron: carbono orgánico total (COT), evolución de la concentración de los contaminantes mediante SPME-GC/MS y evolución de la toxicidad. Los resultados obtenidos demuestran que el seguimiento de la toxicidad a lo largo del ensayo debe ser considerado en la evaluación de la persistencia de los contaminantes orgánicos presentes en los efluentes. Efluentes considerados biodegradables (según ensayos estandarizados) mostraron toxicidad durante todo el ensayo. En el tercer capítulo se desarrolló una metodología para la evaluación global de la peligrosidad de mezclas desconocidas, basado en el potencial de bioconcentración y la toxicidad, utilizando la combinación de dos metodologías: estimación del coeficiente de partición octanol-agua (Kow) mediante HPLC en fase reversa y utilización de los protocolos TIE (toxicity identification evaluation). El coeficiente de correlación obtenido para la estimación del Kow resultó aceptable. La aplicación conjunta de protocolos TIE y de las ecuaciones diseñadas, permite un refinamiento de los factores de seguridad aplicados en la evaluación de riesgo ambiental de efluentes. En el último capítulo de esta tesis se puso a punto un modelo matemático que permite la estimación del riesgo potencial de los efluentes sobre una cuenca hidrográfica concreta (Río Henares). Los objetivos fueron: utilizar un modelo para predecir el riesgo sobre organismos acuáticos usando dos aproximaciones (probabilística y determinística) y distintos ensayos químicos y biológicos, y demostrar la idoneidad del uso de Sistemas de Información Geográfica (SIG) en la recopilación de información de partida así como para la representación de los resultados obtenidos. El resultado de ambas aproximaciones (determinística y probabilística) revela la presencia de compuestos químicos en el río Henares que pueden estar causando efectos sub-letales en las especies acuáticas presentes en el medio. Cada uno de las aproximaciones (determinística y probabilística) ofrece al gestor diferente información, siendo recomendable el uso de ambos simultáneamente. El uso de cartografía codificada por como salida de datos del modelo, puede ser aplicado en la gestión de cuencas hidrográficas y resulta una herramienta muy útil en la comunicación de riesgos. SUMMARY Effluents present, in most of the cases, variable and complex mixtures of compounds, making very expensive, time consuming and sometimes impossible to perform a complete chemical characterisation. Many of these compounds are being efficiently eliminated in modern waste water treatment plants (WWTP), nevertheless there are still some substances that pass through WWTP unaltered reaching the environment. Some of these substances are able to cause negative effects on the species present at the receiving environment and even, due to bioaccumulation and transport processes, cause negative effects on ecosystems and species far away from the emission points. Throughout this thesis, different methodologies were developed bringing together chemical and biological aspects to achieve a global hazard assessment of effluents. These methodologies allow better predictions and understanding of, not only the whole effluent toxicity of a mixture, but also the bioconcentration potential and the persistence of the compounds present in the effluents. Additionally, a mathematical model has been set up allowing the prediction of the environmental risk produced by effluents spilling into a specific river basin (Henares river basin) combining toxicity, persistence and bioconcentration potential. Finally, the results obtained throughout the model were represented using Geographical Information Systems (GIS) to facilitate the risk communication and allow site-specific approaches. The thesis has been structured in four chapters. Through the first chapter of this thesis, different goals where aimed; first, to select an appropriate fiber between some of the coatings commercially available for solid phase micro-extraction (SPME) to detect a large group of organic contaminants; second, to check the capacity of SPME coupled to gas chromatography and mass spectrometry (GC/MS) as a screening method for unknown samples; and third, to develop SPME-GC/MS quantitative methods for three different groups of compounds. The DVB/CAR/PDMS showed better efficiency than the other three stationary phases tested. The results from the screening test showed a large quantity and variety of substances found in the samples, being the majority of them, substances used in the perfume and cosmetics industry. Satisfactory calibration curves, quantification and detection limits were achieved with the quantification methods used. Nevertheless, very variable results were found in the recovery test which could be attributed to the high amount of organic matter present in the samples. In the second chapter of this thesis, a methodology for measuring the persistence of the compounds present in effluents adapting the standardized methods for single substances was achieved. A biodegradation test monitoring toxicity, total organic carbon (TOC) and the concentration of the compounds present in spiked effluents by SPME-GC/MS was carried out. The results from this test show the importance of measuring other parameters in the biodegradation studies such as the evolution of the toxicity. Effluents considered “ready biodegradable” showed toxicity throughout the whole test. In the third chapter, a new methodology to evaluate the overall environmental hazard of unknown mixtures, based on bioconcentration potential and toxicity, was developed using a combination of two methodologies: the estimation of the octanol-water partition coefficient (Kow) using reverse-phase high performance liquid chromatography (RP-HPLC) and, the Toxicity Identification Evaluation (TIE). The correlation values obtained for the Kow estimation were acceptable. The results showed how the method presented, can refine the safety factors that could be included in the environmental risk assessment of effluents in the future. Finally, in the last chapter of this thesis, a mathematical model was optimized allowing the estimation of the potential risk of effluents in a specific river basin (Henares river basin). The objectives of this chapter were twofold: to develop a model which could predict the risk to aquatic organisms due to chemical mixture of compounds throughout a river basin using two approaches (probabilistic and deterministic) and different biochemical essays and, to demonstrate that the use of GIS technology for gathering input data and afterwards represent the model outputs throughout risk maps is a suitable technique for environmental risk assessment. The values obtained through both approximations (deterministic and probabilistic) reveal the presence in the Henares River of certain substances that might cause sub-lethal effects in the aquatic species present in the environment. Each one of the approximations can supply the stake holder with different information, hence could result very positive to use them together.
