Desinfección de efluentes secundarios de EDAR mediante el proceso foto-Fenton solar operando en flujo contínuo a ph neutro: Eliminación de contaminantes de preocupación emergente y bacterias resistentes a los antibióticos
- Autores: Irene de la Obra Jiménez
- Directores de la Tesis: José Luis Casas López (dir. tes.), Ana Belén Esteban García (dir. tes.), José Antonio Sánchez Pérez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ana Agüera López (presid.), María Inmaculada Polo López (secret.), Vítor Jorge Pais Vilar (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biotecnología y Bioprocesos Industriales Aplicados a la Agroalimentación y Medioambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
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- Resumen
La presente tesis doctoral tiene como objetivo general estudiar la inactivación de bacterias procedentes de efluentes secundarios de EDAR mediante el proceso foto-Fenton solar operado en flujo continuo a pH neutro. La experimentación se ha llevado a cabo en reactores Raceway prestando especial atención a dos preocupaciones con respecto a la reutilización de aguas residuales regeneradas para el riego de cultivos: la eliminación de microcontaminantes y la eliminación de bacterias, tanto patógenas como bacterias resistentes antibióticos, sin duda alguna, importantes amenazas para una reutilización segura del agua.
Con este fin, a continuación, se describen los objetivos específicos, así como los principales resultados obtenidos:
En primer lugar, se centra en comparar la eliminación de productos farmacéuticos presentes en efluentes secundarios de depuradora por foto-Fenton solar mediante el uso del complejo Fe3 +-EDDS a un pH cercano a la neutralidad en rectores Raceway evaluando el efecto de la profundidad de líquido.
Para llevar a cabo este propósito, se dopó un efluente secundario simulado con una mezcla de dos fármacos (carbamazepina e ibuprofeno) y tres antibióticos (flumequina, ofloxacino y sulfametoxazol) con 100 μg•L-1 de cada uno de ellos. Estos contaminantes se eligieron por los graves problemas que su presencia está provocando en los efluentes de aguas residuales. En una etapa preliminar, se compararon dos estrategias de operación; adiciones secuenciales de sulfato ferroso y Fe3+-EDDS en relación. Los resultados mostraron al complejo Fe3+-EDDS con una relación molar 1:2 como la mejor opción operativa. Una vez que se eligió la mejor estrategia de operación, el siguiente paso fue evaluar el efecto de la profundidad de líquido utilizando como matriz efluente secundario real. Aunque el proceso estuvo limitado por la disponibilidad de luz, los resultados mostraron un 90% de eliminación de los productos farmacéuticos en cada profundidad de líquido estudiada. Por lo tanto, se seleccionó 15 cm como la profundidad de líquido óptima para llevar a cabo la eliminación de dichos fármacos. Por otro lado, teniendo en cuenta estos resultados, se realizó un estudio comparativo entre reactores tubulares con colectores parabólicos compuestos (CPC) y reactores “Raceway”, en términos de eficiencia (expresada como masa de microcontaminantes degradado por kJ de energía solar UV incidente en la superficie del reactor). Seguidamente, se llevó a cabo el estudio de la implementación del proceso foto-Fenton solar a gran escala en reactores “Raceway”, debido a la mayor eficacia mostrada con respecto a los reactores tubulares y con la consiguiente disminución del coste que ello conlleva. Para ello se investigaron las condiciones de operación necesarias para lograr el escalado del proceso foto-Fenton en una EDAR. Para ello, es necesario cambiar el modo de operación. En este sentido., este estudio mostró, por primera vez, la inactivación de Coliformes Totales, Escherichia coli y Enterococcus sp. en efluentes reales procedentes de EDAR mediante el proceso de foto-Fenton solar operando en flujo continuo a pH neutro en reactores “Raceway. Los resultados de inactivación bacteriana demostraron que 30 minutos de TRH es la condición operativa más eficiente, capaz de producir 305 m3•m−2•año−1 de agua desinfectada cumpliendo con la legislación española para la reutilización del agua (RD 1620/2007). Además, se evaluó una reducción en la concentración de hierro (de 10 a 2.5 mg Fe2+•L-1) en modo continuo con 30 mg•L-1 de H2O2. Los resultados mostraron una inactivación bacteriana eficiente en los casos de 10 y 5 mg Fe2+•L−1. Esto supuso, por primera vez, una reducción importante en la concentración de hierro con respecto a la dosis óptima establecida en la operación por lotes. Una vez demostrada la operatividad del proceso en continuo en la inactivación bacteriana, surgió la necesidad de estudiar la viabilidad del proceso con respecto a la eliminación de bacterias con resistencia a los antibióticos presente en los efluentes secundarios de EDAR. Con ese propósito, se enfocó en llevar a cabo un estudio cinético comparativo entre la inactivación de bacterias totales estudiadas y las resistentes a la cefotaxima mediante el proceso foto-Fenton solar a pH neutro. Con este fin, se evaluaron los efectos que sobre la inactivación bacteriana tienen diferentes condiciones operativas, tales como, el modo de operación (discontinuo y continuo), la irradiancia solar en función de la estación del año (invierno, primavera y verano), la concentración de hierro y diferentes TRH. Con los resultados obtenidos no se encontraron diferencias significativas entre las constantes de velocidad de inactivación de bacterias totales y bacterias resistentes a la cefotaxima bajo ninguna de las condiciones operativas mencionadas anteriormente. Las diferencias encontradas en la constante de velocidad de inactivación entre el modo continuo y por lotes fueron los principales hallazgos de este trabajo, siendo significativamente más alta en el primer caso debido al efecto sinérgico de las variables involucradas en el proceso de desinfección. Este hecho señala el funcionamiento en modo continuo como un proceso adecuado para su aplicación a gran escala. Una vez que se demostró que la operación en flujo continuo era un modo de operación mucho más eficiente en términos de inactivación bacteriana que el modo discontinuo, se estudió la posibilidad de cambiar el tipo de catalizador de hierro utilizado, sales de hierro convencionales por óxidos de hierro naturales, para mejorar la economía del proceso (en términos de costes) sin reducir la eficiencia de desinfección para su aplicación en los efluentes secundarios de EDAR. Para ello, se evaluó la adición de tres óxidos de hierro naturales (hematita, wustita, magnetita) y un óxido de hierro procedente de la minería, así como nano-óxidos magnéticos. La concentración de catalizador que obtuvo mejores resultados fue 20 mg•L-1 de Hematita, logrando al menos 5-log de reducción de concentración bacteriana en un tiempo experimental de 120 minutos. Una vez probado la viabilidad del uso de estos óxidos de hierro como catalizadores en los procesos de inactivación bacteriana, el siguiente paso fue dilucidar los mecanismos involucrados en el proceso de desinfección mediante foto-Fenton impulsado por estos óxidos.
Finalmente, además del objetivo de la desinfección, se estudió la descontaminación simultánea de las aguas residuales, monitoreando la eliminación de 25 contaminantes emergentes presentes en los efluentes secundarios de EDAR. Ambos procesos (desinfección y descontaminación) fueron evaluados para los dos modos de operación, continuo y discontinuo. Los resultados de este trabajo demostraron que los óxidos de hierro pueden reemplazar eficazmente el uso de sales de hierro convencionales, dando paso a una implementación más sencilla y económica del proceso foto-Fenton solar permitiendo así reducir los costes de tratamiento asociados a los reactivos acidificantes y neutralizantes que permitan verter el agua, así como evitar la generación de sales y la corrosión del equipo. Además, el uso de estos óxidos permite una separación fácil del catalizador, ya que las partículas sedimentan con rapidez, por lo que la microfiltración, la separación magnética (para óxidos ferromagnéticos) o la simple decantación podrían ser suficientes. En términos de eficiencia, la reducción de 5-log en la concentración de bacterias fecales permite una descarga segura y una reutilización eficiente, con más del 30% de eliminación adicional de contaminantes emergentes. La viabilidad y eficacia del proceso sienta las bases para su escalado como alternativa viable del tratamiento terciario de aguas residuales.
