Tratamiento biológico de 4-clorofenol en efluentes líquidos mediante reactores discontinuos secuenciales

Resumen

La contaminación de las aguas constituye un problema prioritario en materia de medio ambiente, ya que se trata de un bien relativamente escaso utilizado de forma cada vez más intensiva durante las últimas décadas. La presencia de contaminantes peligrosos en las aguas residuales, en especial de origen industrial, viene mereciendo una atención creciente en la política comunitaria en este ámbito. La evolución de los sistemas de tratamiento de aguas ha conducido al desarrollo de tecnologías eficaces para la eliminación de contaminantes específicos, entre los que destacan pesticidas, herbicidas, compuestos fenólicos, derivados halogenados y metales pesados. En concreto, los clorofenoles se emplean en importantes procesos industriales tales como la fabricación de herbicidas, tintes, resinas fenólicas, protectores de la madera y reguladores del crecimiento de plantas. Las aguas residuales de estas actividades se caracterizan por contener una concentración variable de clorofenoles, entre los que destaca el 4-clorofenol (4-CF) debido a su empleo, además, para la síntesis de productos farmacéuticos, como desnaturalizante de alcoholes y disolvente selectivo en el refino de aceites minerales. Ciertos sectores de actividad industrial como la producción de resinas, nylon, fitosanitarios, fármacos, etc. generan aguas residuales con concentraciones variables de compuestos fenólicos y clorofenólicos. A comienzos de siglo, la producción de residuos fenólicos y clorofenólicos en Estados Unidos se situaba por encima de 55.000 t y próxima a las 2.000, respectivamente. La preocupación por el vertido de estos compuestos a las aguas se ha visto reflejada en el desarrollo de normativas cada vez más rigurosas. Cabe destacar que los clorofenoles están incluidos en las listas de contaminantes prioritarios, tanto de la Comunidad Europea (Directivas 98/83/CE, 2006/11/CE y 2008/108/CE) como de la EPA. Además, existen una serie de normas en las que se recogen específicamente límites de vertido para los compuestos fenólicos y clorofenólicos como la Ley 10/93 de la Comunidad de Madrid y los RD 927/1988 y 1138/1990. Tradicionalmente, los clorofenoles se han tratado mediante un amplio abanico de métodos físico-químicos. Así, entre las tecnologías no destructivas más empleadas se encuentran la adsorción con carbón activo, el arrastre con aire y la extracción líquidolíquido, las cuales simplemente transfieren los compuestos del agua contaminada a otro medio. Los procesos de oxidación húmeda y la oxidación avanzada, incluyendo susversiones fotoasistidas, presentan una serie de desventajas derivadas de la elevada presión y temperatura de operación, el consumo de reactivos y/o la necesidad de equipos complejos o caros. La hidrodecloración catalítica puede conseguir de forma eficaz la eliminación del cloro de los clorofenoles, pero no reduce la carga orgánica en términos de COT, por lo que se requiere algún tratamiento posterior. Los procesos químicos, en general, se encarecen en gran medida para el tratamiento de altas cargas de contaminante y, en algunos casos, se generan productos con una toxicidad superior a la de los propios compuestos de partida. Debido a que la mayoría de los clorofenoles son tóxicos y poco biodegradables, la eliminación de estos compuestos mediante tratamientos biológicos convencionales no resulta efectiva. Sin embargo, el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en la oxidación biológica ha supuesto la aparición de procesos competitivos para el tratamiento de aguas residuales que contengan este tipo de compuestos, dentro de los cuales se incluyen sistemas, tanto anaerobios, como aerobios, entre los que destacan los UASB, EGSB, IC, SBR y MBR. La intensificación de dichas tecnologías para desarrollar sistemas biológicos avanzados más estables y eficientes puede suponer una solución interesante para el tratamiento de aguas residuales que contengan fenoles y clorofenoles. Entre los diferentes tratamientos biológicos empleados para este tipo de aguas, los reactores discontinuos secuenciales (en inglés, Sequencing Batch Reactors, SBR) se han empleado en el tratamiento de un gran número de compuestos xenobióticos, debido, principalmente, a ciertas ventajas como la reducción del espacio necesario, el control sencillo del proceso, el tratamiento de nutrientes o el reducido consumo energético. La flexibilidad de los SBR en cuanto a operación y control, hace de este sistema una opción muy atractiva para el tratamiento de aguas sujetas a variaciones importantes como las clorofenólicas. Esta tecnología ha sido ensayada para el tratamiento de distintos clorofenoles (4-CF, 2,4-diclorofenol, 3-clorofenol, 2,4,6-triclorofenol y pentaclorofenol), analizando la influencia del tipo de secuencia empleada, la temperatura y las diferentes técnicas de aclimatación, así como las rutas degradativas de los diferentes compuestos. Sin embargo, la optimización de las condiciones de operación y el empleo de estrategias de intensificación, como el empleo de biomasagranular o soportes para el crecimiento de la misma, la bioaumentación o el cometabolismo, no han sido suficientemente estudiados. En el presente trabajo se investiga la aplicación de SBR para el tratamiento de 4- clorofenol en efluentes acuosos. Además, se evalúa la eficacia de dicho sistema cuando se emplean distintos cosustratos para el consumo cometabólico del compuesto, la utilización de biomasa granular, el desarrollo y aplicación de nuevos soportes adsorbentes para el desarrollo de biopelículas y la bioaumentación del fango con cepas degradadoras de clorofenoles como métodos de intensificación del sistema. En primer lugar, se estudió el efecto de las condiciones de operación (empleo de cosustratos, pH, concentración de inóculo, requerimientos de nutrientes y adaptación previa a fenol) sobre la degradación de 4-CF durante la puesta en marcha de reactores biológicos a base de fangos activos en discontinuo. Se seleccionaron diferentes cosustratos, los cuales pueden aparecer conjuntamente en efluentes con 4-CF, debido a su formación en el tratamiento de clorofenoles mediante procesos químicos de oxidación o reducción (ciclohexanol, catecol y fenol). Por otro lado, el efecto de la adición de glucosa se estudió debido al interés del empleo de sustratos biogénicos fácilmente biodegradables en la degradación de xenobióticos. La baja biodegradabilidad del 4-CF determinó rendimientos de degradación inferiores al 40% en 48 h, tratando 80 mg/L de dicho compuesto. El rendimiento aumentó hasta el 80% al añadir ciclohexanol, fenol o glucosa en bajas concentraciones (DQO4-CF:DQOcosustrato = 1:0,25). La adición de catecol no mejoró la eficacia observada en la degradación de 4-CF sin cosustratos. Con el resto de cosustratos, un aumento de la concentración de los mismos mejoró significativamente la degradación del 4-CF, con una disminución en el grado de mineralización. El tipo de cosustrato empleado influyó sensiblemente en la velocidad de degradación del 4-CF, observándose una variación de las velocidades medias de 0,28 a 0,14 mg 4-CF/g SSV·h, con fenol y catecol, respectivamente. El análisis cinético de los resultados obtenidos con fenol como cosustrato indica que las velocidades de degradación de 4-CF y COT aumentan al hacerlo la concentración, observándose que la degradación cometabólica de 4-CF con fenol corresponde a una inhibición competitiva. Este tipo de inhibición habitualmente sucede con sustratos tóxicos o recalcitrantes,desapareciendo cuando se consume el sustrato inhibitorio.