Aplicación de procesos fenton y pseudo-fenton en la regeneración de aguas residuales urbanas

Resumen

La incorporación al ordenamiento jurídico español de la Directiva 91/271/CEE, relativa al tratamiento de aguas residuales urbanas, supuso la construcción y puesta en marcha de un elevado número de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales Urbanas (EDARs) en España. Para reducir la contaminación presente en las aguas residuales urbanas, la mayor parte de las EDARs disponen de pretratamiento, tratamiento primario y tratamiento biológico secundario, los cuales aseguran una calidad del vertido final que se adecua a los límites permitidos por la legislación vigente. Algunas EDARs deben disponer de tratamiento terciario para mejorar la calidad del agua tratada. A pesar de que la contaminación biológica constituye una parte importante de las aguas residuales urbanas, las EDARs no se diseñan con el objetivo de eliminarla. Esta contaminación tiene su origen fundamentalmente en la emisión o arrastre de excrementos humanos y animales y sus efectos sobre los seres vivos dependen principalmente del tipo de microorganismo presente, de su concentración así como del uso que se haga del agua en la que está presente. Las aguas residuales urbanas presentan una composición microbiológica altamente variable, que depende de factores evidentes como el tamaño de la población o su actividad económica fundamental. En los últimos años, y como consecuencia de una mayor reutilización de aguas de salida de depuradora se estan realizando estudios de caracterización microbiológica tanto en aguas residuales urbanas como en efluentes tratados en EDARs. El Real Decreto 1620/2007 por el que se establece el regimen jurídico de reutilización de aguas depuradas, limita la presencia de metales, sustancias orgánicas peligrosas, Escherichia coli, Salmonella spp., Legionella spp. etc., en las aguas, imponiendo normas de calidad o concentraciones medias admisibles en función del uso concreto que se les vaya a dar (urbano, agrícola, industrial, recreativo y ambiental). Para dar cumplimiento a esta legislación, a menudo se requiere tratar el agua de salida mediante técnicas de filtración (convencional y procesos de membrana), precipitación química, desinfección (cloración, ozonización, luz ultravioleta, aireación), adsorción con carbón activo, intercambio iónico, lagunajes, humedales y otros sistemas biológicos. En esta línea, la aplicación de algunos procesos avanzados de oxidación (PAOs), podrían servir de complemento o alternativa a otros convencionalmente utilizados con el fin de reducir la presencia de contaminantes peligrosos y microorganismos potencialmente patógenos en los efluentes líquidos, potenciando así su posible reutilización y reducir los riesgos asociados para la salud pública y el medio ambiente. Dentro de este marco, el principal objetivo de esta Tesis Doctoral es avanzar en el conocimiento sobre la aplicación de procesos en los que se combina radiación electromagnética (luz solar fundamentalmente) con peróxido de hidrógeno y materiales de hierro, en la desinfección de aguas de salida de depuradora, que permita en un futuro establecer su aplicabilidad a escala real así como conocer sus limitaciones. Este objetivo principal se traduce en los siguientes objetivos concretos u objetivos secundarios a alcanzar: 1. Puesta en marcha de la metodología y protocolos de trabajo en el análisis microbiológico de las aguas residuales (aislamiento, confirmación y conservación de cepas bacterianas salvajes y de referencia). 2. Caracterización físico-química y microbiológica de efluentes de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales. Estudio del poder desinfectante de los sistemas de lagunaje existentes como tratamiento terciario en algunas de las instalaciones muestreadas. 3. Desarrollo de un procedimiento a escala de laboratorio de obtención de muestras sintéticas que reproducen fielmente las características de las aguas residuales reales objeto de estudio. 4. Investigación del poder desinfectante de los procesos avanzados de oxidación, sobre cepas biológicas existentes en las aguas de salida de las EDARs; fundamentalmente sobre Escherichia coli y Enterococcus sp. Los ensayos realizados se basan en la combinación de peróxido de hidrógeno y/o hierro con luz solar y/o radiofrecuencia (RF). Análisis de influencia de variables: tiempo de tratamiento, dosis de reactivos, presencia/ausencia de radiación, longitud de onda de la radiación aplicada, estado del hierro (disuelto, coloidal y sólido: arcilla y magnetita), pH de tratamiento, presencia/ausencia de materia particulada de origen orgánico, estructura celular del microorganismo objeto de estudio, tipo de agua residual depurada (sintética o real). Los estudios se llevan a cabo a escala de laboratorio con diferentes fuentes de radiación y a escala piloto mediante la utilización de radiación natural en fotoreactores CPC. 5. Modelización cinética de los resultados. Las conclusiones generales del estudio son las siguientes: ¿ Los efluentes estudiados procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales presentan una elevada carga microbiológica de origen fecal, así como unas características físico-químicas variables en función del origen del agua residual. En España, para la mayoría de los usos previstos en la legislación vigente (RD 1620/2007), su reutilización es posible siempre y cuando se someta dicho efluente como mínimo a un tratamiento de desinfección posterior. ¿ Los sistemas de lagunaje reducen de forma considerable la carga microbiológica del agua de salida de las depuradoras muestreadas (1.5 ¿ 2 log), consecuencia de la acción bactericida de la radiación solar. ¿ Los procesos avanzados de oxidación investigados basados en la aplicación de peróxido de hidrogeno, hierro y radiación electromagnética, consiguen reducir la contaminación microbiológica presente en aguas residuales urbanas depuradas, en concreto de Escherichia coli, Enterococcus sp. y Pseudomonas sp., aunque su eficacia es menor que la que consiguen los mismos procesos cuando se aplican sobre aguas de mayor calidad físico-química (aguas prepotables y agua ultrapura). La presencia de sólidos en suspensión y turbidez en las muestras de agua, disminuye la efectividad de los tratamientos de desinfección aplicados. Su eliminación previa mediante un proceso de coagulación-floculación-decantación, aumenta considerablemente la eficacia del tratamiento de desinfección aplicado. ¿ Escherichia coli (Gram negativa) presenta una mayor sensibilidad que Enterococcus sp. (Gram positiva) ante los tratamientos investigados. Ello podría ser debido a la diferencia estructural existente entre ellas, siendo mucho más gruesa y por lo tanto resistente, la membrana celular que configura las bacterias Gram positiva. ¿ La eficacia de desinfección que consiguen los procesos Fenton y pseudo-Fenton investigados depende de un elevado número de variables. En general, para el tratamiento de aguas residuales depuradas que presenten un pH próximo a neutro, estos procesos son menos eficaces que los basados en la aplicación de peróxido de hidrógeno y radiación UV-vis. ¿ La cantidad de especies reactivas del oxigeno (ROS) generadas como consecuencia de la presencia del hierro no disuelto en los tratamientos estudiados bajo las condiciones de operación utilizadas, se considera despreciable frente a las generadas a través de otros agentes como el peróxido de hidrógeno y la luz UV-vis. Incluso se observa a través de estudios cinéticos, que la presencia de hierro en estado coloidal reduce la velocidad de inactivación bacteriana. Cuando el hierro está presente en el proceso en forma disuelta, éste participa activamente en la generación de ROS, consecuencia de la reacción Fenton, aumentando considerablemente el tratamiento en presencia de radiación UV-vis. ¿ A pesar de que el H2O2 no genera ROS mediante irradiación con energía de longitud de onda mayor o igual que 300 nm, cuando este se utiliza en dosis de 20 ¿ 25 mg/L, se observa un gran poder desinfectante sobre E.coli, incluso sobre efluentes reales de EDAR (20 y 50 mgH2O2/L), posiblemente como consecuencia de los radicales generados a través de una reacción Fenton en la que participa el hierro intracelular de la bacteria. Este efecto se observa también sobre Enterococcus sp. aunque es necesario un mayor tiempo de tratamiento. ¿ El efecto bactericida del H2O2, en las dosis utilizadas (10 ¿ 50 mg/L) y en ausencia de radiación, es despreciable a tiempos cortos de exposición. ¿ La acidez del medio influye en la supervivencia bacteriana. ¿ La arcilla utilizada en esta investigación actúa como agente desinfectante por si sola, mejorando su eficacia cuando se expone a la luz UV-visible. Sin embargo, su combinación con peróxido de hidrógeno la hace menos efectiva en relación a la inactivación bacteriana. ¿ Los primeros ensayos tentativos realizados utilizando radiofrecuencia en combinación con materiales ferromagnéticos y peróxido de hidrógeno, muestran resultados prometedores que merece la pena ser investigados en un futuro próximo. ¿ Los modelos matemáticos basados en distribuciones tipo Weibull así como los modelos bifásico y bifásico con hombro, describen adecuadamente las cinéticas de inactivación de los tratamientos radiación UV-vis, H2O2/radiación UV-vis y pseudo-Fenton estudiados sobre células de Escherichia coli y Enterococcus sp. Cuando se aplican los tratamientos de desinfección objeto de estudio sobre poblaciones de E.coli y Enterococcus sp., se observa en cada caso la existencia de dos subpoblaciones que presentan diferente resistencia a los tratamientos aplicados. ¿ Según los modelos matemáticos de inactivación, las células de Enterococcus sp. presentan una resistencia inicial a los tratamientos aplicados, y por tanto las curvas de inactivación cinética aparecen fenómenos de hombro. Sin embargo, las células de E.coli presentan una inactivación inicial lineal rápida seguida de una disminución lenta, apareciendo en ese caso fenómenos de cola. ¿ En relación a su posible aplicación a escala real, el tratamiento recomendado por su eficiencia y menor coste asociado, de los investigados en esta Tesis Doctoral, para la inactivación de poblaciones bacterianas presentes en aguas de salida de depuradora podría ser el constituido por un proceso previo de coagulación-floculación-decantación con cloruro férrico y posterior tratamiento con peróxido de hidrógeno con una dosis de 25 mg/L y luz UV-vis natural en un reactor CPC, durante un tiempo de 180 minutos y realizándose todo el tratamiento a pH neutro. De esta forma se podría lograr una inactivación entre 4 ¿ 6 log de poblaciones de Escherichia coli, Enterococcus sp. y Pseudomonas sp., así como de posiblemente otras bacterias presentes. Dicho tratamiento debería ser confirmado con estudios complementarios.