Desarrollo y aplicación de procesos fotoquímicos y fotocatalíticos para la desinfección , descontaminación y reúso de aguas procedentes de la industria de iv gama
- Autores: Leila Samira Nahim Granados
- Directores de la Tesis: María Inmaculada Polo López (dir. tes.), José Antonio Sánchez Pérez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Angel Javier Margugán Aguado (presid.), José María Fernández Sevilla (secret.), Luigi Rizzo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biotecnología y Bioprocesos Industriales Aplicados a la Agroalimentación y Medioambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
El mundo está experimentando cambios socioeconómicos globales que generan importantes problemas medioambientales como la escasez de agua dulce donde la agricultura juega un papel clave debido a su alto consumo de recursos hídricos. La intensificación de la escasez de agua genera nuevos desafíos y la implementación de tecnologías emergentes para responder a estas presiones en países con escasez de agua es crucial. En esta línea, el uso de aguas residuales procedentes de industrias agroalimentarias con el fin de su regeneración y reutilización en agricultura representa una alternativa viable, además de ser una fuente de agua no convencional que favorece el uso más eficiente de los recursos hídricos. Entre las diferentes industrias agroalimentarias, la industria de IV gama ha experimentado un importante crecimiento en los últimos años debido al interés por el consumo de vegetales saludables, nutritivos, procesados y envasados listos para su consumo en fresco. Esta industria presenta uno de los mayores consumos de agua del sector agroalimentario como consecuencia de los altos volúmenes de agua requeridos en la etapa de lavado de vegetales (hasta 40 m3 por tonelada de producto).
Por otro lado, el consumo de productos de IV gama es una importante ruta de transmisión de patógenos si no se aplica un adecuado tratamiento de desinfección durante el proceso de producción. De hecho, en los últimos años se han publicado numerosos brotes epidémicos atribuidos al consumo de estos productos. Además del conocido riesgo microbiológico, este agua residual es también una importante fuente de microcontaminantes orgánicos (OMCs, por sus siglas en inglés) (principalmente plaguicidas), los cuales carecen de ninguna regulación. La estrategia más empleada para disminuir el riesgo microbiológico asociado con estos productos es el uso de compuestos clorados como agentes desinfectantes en la etapa de lavado. Sin embargo, la generación de subproductos de desinfección tóxicos como consecuencia del empleo de cantidades excesivas de cloro en estas matrices de agua con alto contenido orgánico, ha dado lugar a la prohibición en algunos países europeos del empleo de compuestos clorados en la industria de IV gama. Además, la cloración no evita la acumulación de OMCs durante el proceso industrial debido a su baja efectividad en la degradación de los mismos. Por ello, recientemente ha aumentado el interés en la búsqueda y evaluación de nuevos y/o alternativos tratamientos de agua capaces de reducir simultáneamente la contaminación microbiológica y química asociada a esta industria sin la generación de subproductos de desinfección.
El objetivo general de este estudio es evaluar la capacidad de tratamiento de varias tecnologías solares (foto-Fenton y H2O2/solar) y un proceso convencional (ozonización) aplicados al agua residual (agua de lavado) de la industria de IV gama con objeto de alcanzar los límites de calidad establecidos en las regulaciones de reutilización de agua residual en la agricultura. En este estudio, se han seleccionado y utilizado dos bacterias patógenas humanas como modelos de contaminación microbiana transmitida por alimentos (Escherichia coli O157:H7 and Salmonella enteritidis) y una mezcla de ocho OMCs (atrazine, azoxystrobin, buprofezin, imidacloprid, procymidone, simazine, thiamethoxam and terbutryn) como modelos de contaminación química (pesticidas).
En primer lugar, se desarrolló una receta sintética de agua para su uso a lo largo de todo el estudio experimental como modelo de matriz de agua residual de la industria de IV gama (en adelante SFCWW, por sus siglas en inglés 'synthetic fresh-cut wastewater'), evitando así las fluctuaciones físico-químicas del agua industrial. Esto permite por tanto realizar análisis comparativos más precisos entre los tratamientos y condiciones experimentales investigados en este estudio. Los procesos solares han mostrado su eficiencia en la desinfección de diferentes tipos de matrices acuosas, no obstante, el alto valor de turbidez (100 NTU) de SFCWW requiere investigar experimentalmente su capacidad de desinfección y descontaminación en esta particular matriz de agua. En este estudio, la capacidad de desinfección de cuatro procesos solares (foto-inactivación solar, H2O2/solar, Fe/solar y foto-Fenton solar) se ha investigado a escala de laboratorio en simulador solar con condiciones controladas de radiación y temperatura. Los resultados obtenidos muestran claramente su capacidad para desinfectar SFCWW en cortos periodos de tiempo (reducciones >5 log en < 45 min). El mayor rendimiento de desinfección se obtuvo con el proceso H2O2/solar con 20 mg/L de oxidante, donde independientemente de las condiciones ambientales (estación del año) tras 20 min de tratamiento se alcanza una desinfección completa. Todo esto convierte al proceso H2O2/solar en una prometedora alternativa para desinfectar agua residual procedente de la industria de IV gama. Sin embargo, los procesos solares Fe/solar y foto-Fenton mostraron una baja capacidad de desinfección como consecuencia de la precipitación del hierro al pH de la matriz de agua (6.25), poniendo de manifiesto la necesidad del uso de fuentes alternativas de hierro que permitan una mayor estabilidad del mismo en disolución a pH cercanos a la neutralidad, mejorando la capacidad de desinfección.
En línea con esto, la búsqueda y evaluación de fuentes alternativas de hierro que permitan incrementar la cantidad de hierro disponible en disolución (quelatos y complejos) y por tanto la eficiencia del proceso homogéneo, se ha convertido en una importante línea de investigación en los últimos años. En este trabajo experimental, se ha investigado por primera vez el uso de un fertilizante de hierro comercial (Fe3+-EDDHA), comúnmente empleado en agricultura para prevenir y remediar la clorosis de hierro. Su uso como agente bactericida en procesos de desinfección solar de agua se ha analizado en comparación con el proceso convencional de foto-Fenton con sales de hierro. El estudio se llevó a cabo a escala de laboratorio (200 mL), bajo radiación solar natural, con concentraciones de hierro de 0.5 a 5 mg/L y en dos matrices de agua de distinta complejidad: solución isotónica y SFCWW. Los resultados obtenidos mostraron una mayor eficiencia de desinfección solar con Fe3+-EDDHA (45 min de tratamiento) en comparación con foto-Fenton convencional con sales de hierro (90 min de tratamiento). Además, se ha propuesto el mecanismo de inactivación bacteriana mediante el proceso solar Fe3+-EDDHA para explicar tanto la pérdida de viabilidad como la diferente resistencia a la inactivación de ambas bacterias (S. enteritidis mostro mayor resistencia que E. coli O157:H7). Brevemente, el mecanismo de inactivación propuesto está basado principalmente en cambios de permeabilidad de la membrana bacteriana en presencia de Fe3+-EDDHA y en daños estructurales causados por los radicales hidroxilo generados en el proceso Fe3+-EDDHA/H2O2/solar.
A continuación, se evaluó la capacidad de estos prometedores procesos solares para la desinfección y descontaminación simultánea de SFCWW a escala planta piloto para determinar su posible aplicación a escala preindustrial. Para ello, se evaluaron los procesos de H2O2/solar, Fe3+-EDDHA/solar y Fe3+-EDDHA/H2O2/solar bajo radiación solar natural y en reactores tubulares provistos de un colector parabólico compuesto con una capacidad de tratamiento de 60 L de agua. En general, todos los procesos solares estudiados mostraron una alta eficiencia para reducir la contaminación microbiológica (>5-log en 60 min) mientras que la reducción de OMCs fue moderada (reducciones del 20 al 40 % de la carga inicial).
Además, también se investigó la capacidad de tratamiento (descontaminación y desinfección simultánea en SFCWW) a escala piloto (10 L) del proceso de ozonización y peroxone (ozono con adición de H2O2) como referencia de procesos de oxidación avanzada (POA) convencionales en aguas residuales y de la industria agroalimentaria. En este estudio, se investigaron las siguientes condiciones de operación: dos producciones distintas de ozono (0.09 y 0.15 gO3/Lh) a pH natural de SFCWW (6.25) y pH básico (11), además de la adición de 20 mg/L de H2O2. La condición de tratamiento más sencilla, es decir ozonación a pH natural, mostró la mayor eficiencia de desinfección (>5-log) y degradación de OMCs (85%) requiriendo para ello bajas dosis de ozono: <10 y <30 mgO3/L, respectivamente Una vez demostrada la capacidad de tratamiento, se llevaron a cabo ensayos de riego de dos vegetales de típico consumo en crudo (rábano y lechuga) en un invernadero experimental. Estos ensayos se realizaron con SFCWW tratada mediante las mejores condiciones de operación obtenidas previamente para cada tratamiento (H2O2/solar, Fe3+-EDDHA/solar, Fe3+-EDDHA/H2O2/solar y ozono a pH natural). Además, también se llevaron a cabo controles de riego positivo (SFCWW fortificada con los contaminantes objetivo) y negativo (agua mineral ausente de contaminación). En general, los resultados del análisis de muestras vegetales regados con SFCWW tratada (cualquier proceso) revelaron una total ausencia de contaminación microbiológica (Límite de Detección; < 1 CFU/99 g de lechuga y < 1 CFU/8 g de rábano) en ambos vegetales. En cuanto a los OMCs, todos los procesos mostraron una menor absorción de OMCs que las muestras del control positivo. En particular, los vegetales regados con SFCWW tratada con ozono mostraron una mayor reducción en la absorción de OMCs: 95 y 92 % en lechuga y rábano, respectivamente. En el caso de los procesos solares, las reducciones observadas variaron del 64 al 77 % en lechuga y del 43 al 59 % en rábano. Sin embargo, las lechugas regadas con agua tratada por los dos procesos solares que incorporan el micronutriente Fe3+-EDDHA mostraron el doble de contenido de clorofila que las regadas con tratada por ozono o el proceso H2O2/solar. Por lo tanto, estos resultados confirman el beneficio del uso de Fe3+-EDDHA como fuente de hierro para la fisiología del cultivo y para el propio tratamiento solar del agua.
Finalmente, con el objeto de determinar la viabilidad de implementación de los procesos estudiados (ozonización, H2O2/solar y Fe3+-EDDHA/H2O2/solar) se llevó a cabo una evaluación del proceso global desde el punto de vista tecno-económico, ambiental y de seguridad alimentaria, incluyendo en este estudio la cloración como referencia del proceso de desinfección más empleado en este tipo de industria. La evaluación ambiental se realizó mediante el estudio de la ecotoxidad del agua tratada con: Vibrio Fischeri como organismo referencia para la evaluación específica del posible impacto de su vertido y Lactuca sativa para determinar su idoneidad para el riego de vegetales. Los resultados de los tests con Vibrio fischeri mostraron ausencia de toxicidad aguda para el agua tratada por procesos solares, leve toxicidad agua para el agua ozonizada y toxicidad muy aguda para el agua clorada. En el caso de Lactuca sativa, no se observaron efectos significativos para el agua tratada por procesos solares u ozonada, mientras que se observó un claro efecto de inhibición para el agua clorada. Por tanto, estos resultados confirman la idoneidad de la aplicación de los procesos solares estudiados y el ozono para la regeneración de SFCWW y resalta la no idoneidad del proceso de cloración para este mismo objetivo. Los resultados de la estimación del coste de tratamiento para los procesos evaluados mostraron costes similares (≈1.2-1.3 €/m3) para ozonación y Fe3+-EDDHA/H2O2/solar, mientras que para el proceso H2O2/solar, el coste estimado fue ligeramente superior (≈1.7 €/m3). Estos costes de tratamiento son aproximadamente el doble del estimado para el proceso de cloración (≈0.7 €/m3), siendo el coste de tratamiento a escala industrial la principal barrera para la aplicación de estos procesos alternativos.
En último lugar, se llevó a cabo una evaluación de riesgos químicos y microbiológicos de los vegetales regados con SFCWW sin tratar y tratada (por ozono y procesos solares). Para ello, se evaluó el riesgo en una dieta alimentaria del consumo combinado de los OMCs objeto de estudio y empleando como herramienta para esta estimación el conocido como índice de riesgo (HI, por sus siglas en inglés). Los resultados obtenidos mostraron que ninguno de los vegetales analizados (regados con SFCWW sin tratar o tratada) constituye un riesgo para la salud humana, siendo la probabilidad menor en los vegetales regados con agua tratada. Por otro lado, la evaluación cuantitativa del riesgo microbiológico (ECRM) se estimó haciendo uso del software FDA-iRISK® en base a modelos de dosis-respuesta y simulaciones de Monte Carlo. En este caso, los vegetales regados con SFCWW sin tratar presentan un importante riesgo de infección para el consumidor, mientras que en los vegetales regados con agua tratada este riesgo de infección se reduce más de 4 órdenes de magnitud.
