Recolección de muestra

Las muestras para aguas residuales se recogen de las plantas de tratamientos de aguas residuales, donde se toma una muestra representativa de un día de trabajo de la estación depuradora de aguas, esta se recoge en botella ámbar de vidrio para ser llevadas al laboratorio y ser filtradas para su posterior análisis.

4.4.1.2. Extracción

Es una etapa muy importante para el análisis de contaminantes emergentes puesto que en algunos de los casos está asociada a un alto consumo de disolventes tóxicos no requeridos, y dependiendo del compuesto que se va a analizar y de sus propiedades se escogerá el método de extracción, puede ser extracción en fase sólida, extracción liquido- liquido, micro-extracción en fase sólida, micro-extracción en fase liquida, extracción solido-liquido, entre otras.

4.4.2. Determinación

Como los contaminantes emergentes son resistentes a procesos de biodegradación, estos pueden presentar problemas al entorno, y para eliminarlos no usamos tratamientos comunes como adsorción, osmosis inversa, cloración, entre otras pues no son adecuadas

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para la lograr la pureza deseada y algunos de ellos mantienen intactos a los contaminantes es por eso que se usan tratamientos para eliminar los elementos no deseados presentes en las aguas residuales después de que se realicen los tratamientos comunes en las estaciones depuradores de aguas residuales, para lo cual se buscan nuevos métodos a un bajo costo, con el fin de reducir la presencia de estos contaminantes. Por esto que se hizo un estudio bibliográfico donde se encontraron que las técnicas más usadas para la eliminación de estos contaminantes son:

4.4.2.1. PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADOS

Este consiste en una oxidación química a presión suave y temperatura hasta la mineralización del contaminante, donde se cuenta con un agente oxidante denominado hidroxilo con un tiempo de reacción corto. El objetivo de este proceso es la eliminación de compuestos solubles no biodegradables que están presentes en las aguas residuales, estos tienen reactividad alta para poder eliminar todos los compuestos presentes logrando la reducción de la toxicidad en las aguas residuales tratadas.

Los procesos químicos de oxidación avanzada usan oxidantes (químicos) para reducir los niveles de demanda química de oxígeno (DQO) y demanda biológica de oxígeno (DBO), y el índice de biodegradabilidad se puede expresar como (DBO/DQO). En este caso, el índice de biodegradabilidad se relaciona directamente con la concentración de materia orgánica presente en el agua y su separación los componentes orgánicos y los componentes inorgánicos oxidables. Los procesos pueden oxidar totalmente los materiales orgánicos como carbón (C) y agua (H2O), aunque no es a menudo necesario operar estos procesos hasta este nivel de tratamiento. Estos se basan en procesos fisicoquímicos capaces de producir cambios profundos en la estructura química de los contaminantes, implicando

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generación y uso de especies poderosas transitorias, principalmente el radical hidroxilo (OH-). Además, la generación de radicales se genera a partir de oxígeno, agua oxigenada y catalizadores soportados, por lo que los subproductos de reacción son únicamente agua y dióxido de carbono (Bes, Silva, Bengoa, 2018).

Estos procesos de oxidación se pueden clasificar en procesos no fotoquímicos que requieren el uso de compuestos químicos como O3, H2O2 y procesos fotoquímicos que requieren radiaciónen en la (tabla 4) se pueden observar los procesos de oxidación más utilizados.

Tabla 4. Principales tecnologías de procesos de oxidación avanzada

Tecnologías de oxidación avanzada

Procesos no fotoquímicos Procesos fotoquimicos

Ozonización Oxidación en agua sub/supercrítica Ozono/ peróxido de hidrógeno Fotolisis ultravioleta de vacío (UVV) Procesos de fenton Ultravioleta/peróxido de hidrogeno Oxidación electroquímica Ultravioleta ozono

Plasma no térmico Fotolisis/ fenton

Ultrasonido Fotocatálisis heterogénea

Fuente: Los contaminantes emergentes de las aguas residuales de la industria farmacéutica y su tratamiento por medio de la ozonización (Augusto y Solano, 2020).

4.4.2.1.1. Ventajas e inconvenientes de los POAs

El interés de estos procesos puede estar en utilizarlos como pretratamiento de las aguas residuales antes de que éstas sean conducidas a las plantas de tratamientos

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convencionales o para la degradación de componentes no-biodegradables, pero también presentan ventajas y desventaja que se tienen que tomar en cuenta a la hora de seleccionar el tipo de proceso a utilizar. Sin embargo, su utilización como etapa de pre tratamiento para el aumento de la biodegradabilidad de las aguas residuales que contienen compuestos recalcitrantes y tóxicos, puede ser justificada si los productos intermediarios resultantes son fácilmente degradados por microorganismos en un tratamiento biológico. Por lo tanto, la combinación de un POA, como tratamiento preliminar, con un proceso biológico resulta muy prometedora desde el punto de vista económico. El objetivo principal es pues combinar los POAs con procesos biológicos para tratar diferentes tipos de aguas residuales, principalmente aquellas que provienen de la producción de saborizantes, colorantes, fármacos o pesticidas, ya que éstas se caracterizan por su dificultad para ser tratadas por métodos biológicos (Terán, 2016). En la (tabla 5) se pueden observar las ventajas y desventajas de estos procesos.

Tabla 5. Ventajas y desventajas de los procesos de oxidación avanzada.

Ventajas Desventajas

No sólo cambian de fase al contaminante (como ocurre en el arrastre con aire o en el tratamiento con carbón activo), sino que lo transforman químicamente hasta la mineralización completa (destrucción) del contaminante.

Elevado coste, especialmente en lo que

respecta al ozono y la radiación ultravioleta. Eliminan efectos sobre la salud de desinfectantes,

medicamentos y oxidantes residuales como el cloro Pueden no generar (o formar en baja concentración) subproductos, como los lodos que requieran posterior procesamiento, tratamiento y/o eliminación.

Necesitan, en algunos procesos, de tiempos de

reacción elevados. Sirven para tratar contaminantes a muy baja

concentración (por ejemplo, plaguicidas ppb.) Los costos de inversión y operación pueden ser

elevados. Generalmente mejoran las características organolépticas

(olor, sabor, color) de las aguas tratadas.

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generalmente sustancias que se descomponen durante el proceso en productos inocuos.

especializada

Fuente: Manual técnico sobre procesos de oxidación avanzados (Monge et al., 2018)

4.4.2.2. REACTOR BIOLÓGICO DE MEMBRANA (MBR)

La eliminación de antibióticos durante el tratamiento de aguas residuales usando un reactor biológico de membrana (MBR) ocurre principalmente a través de la biodegradación, la sorción de lodo, la fotodegradación y la volatilización. El reactor biológico de membrana se une al tratamiento de proceso de lodos activados con membrana de baja presión que causa obstáculos a los contaminantes. Este sistema es considerado como el más eficiente para el tratamiento de aguas residuales en hospitales, ya que, da como resultado una reducción de lodos, bajos niveles de sólidos en suspensión y alta eliminación de patógenos. El tiempo de retención prolongado permite la eliminación de nitrógeno y aumenta el crecimiento de bacterias nitrificantes con una eliminación mejorada de microcontaminantes. En el sistema de reactor biológico de membrana, la eliminación de las características físicas de los contaminantes tiene lugar y descarga permeable de alta calidad. La alta eliminación de DQO en el reactor biológico de membrana proporciona un entorno estable para los microorganismos para la eliminación eficiente de microcontaminantes. En la última década, el proceso del reactor biológico de membrana se ha vuelto alternativo para el proceso de lodos activados, debido a su alta eficiencia de eliminación de microcontaminantes. (Tran et al., 2016). En la (tabla 6) podemos encontrar las diferentes membranas que se utilizan dependiendo del factor de operación.

Tabla 6. Clasificación de las membranas.

65 separación

Tamaño de partículas

Filtración Partículas superiores a 10 nm (partículas de arena)

Microfiltración 0,1 mm y 10 mm (bacterias, barro)

Ultrafiltración 1 nm y 100 nm (Macro proteínas, Virus, coloides,)

Nanofiltración 0,1 nm y 1 nm (Moléculas con alto peso molecular como glucosa)

Osmosis inversa 0.0001 micra (Moléculas con alto y bajo pesos molecular)

Carga de partículas

Electrodiálisis

Los iones se transportan por una membrana de intercambio iónico desde la solución menos concentrada a la más concentrada utilizando energía eléctrica, así se elimina el soluto y se purifica el disolvente.

Electrodiálisis reversible

Se invierte la polaridad de los electrodos y las salidas de la solución concentrada y diluida cada cierto tiempo, por lo que los iones se transfieren en direcciones opuestas y se dificulta formación de incrustaciones

En este proceso el efluente se une con la biomasa de un biorreactor, se bombea la mezcla para ser extraída del biorreactor y finalmente ser filtrada por medio de una membrana. El agua que se filtra sale del sistema, mientras la biomasa queda en el reactor. En un principio, la tecnología de membrana tenía limitado su uso y solamente se usaba como un añadido en el proceso convencional. La Microfiltración, la ultrafiltración y la osmosis inversa se utilizaron en áreas donde había requerimientos de vertido muy rigurosos o donde se pretendía reutilizar el agua depurada.

Los principales factores que limitaron el desarrollo de la tecnología de membrana fueron el elevado costo de inversión y de operación y el inadecuado conocimiento de las ventajas potenciales de las membranas en el tratamiento de las aguas residuales, como se

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puede observar en la (tabla 7). Sin embargo, la aparición de módulos de membrana menos costosos y más efectivos, junto con el endurecimiento de los requisitos de vertido, hicieron que se volviera a tener interés en la tecnología de membrana. (Vásquez R., 2015)

Tabla 7. Ventajas y desventajas de los biorreactores con membranas.

4.4.2.3. PROCESOS DE LODOS ACTIVADOS

El proceso de lodo activado generalmente se emplea para las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. En este proceso de tratamiento, el lodo se mezcla con las aguas residuales junto con los microorganismos para eliminar los nutrientes que oxidan la materia biológica carbonosa y otras sustancias químicas durante el proceso de tratamiento. El tratamiento comienza mezclando los desechos con cultivos microbianos aclimatados en un tanque aireado. El lodo está bien aclimatado para hacer frente en caso de que se produzca una carga de choque durante el proceso de tratamiento de aguas residuales.

VENTAJAS DESVENTAJAS

Bajo consumo de energía No elimina el contaminante solo lo concentra en un solo lugar

Debido a que funcionan como un filtro ofrecen una alta eficiencia de separación

En algunos casos presenta inconvenientes de degradación en la membrana, lo que aumenta el costo en la operación.

Se puede combinar con otros procesos por su facilidad de adaptarse

Altos costos de instalación y mantenimiento

Se consiguen rendimientos muy superiores en eliminación de compuestos orgánicos, nutrientes y microorganismos. En función de la calidad conseguida y del uso posterior, el efluente puede ser reutilizado directamente o puede servir como alimentación de tratamientos posteriores.

Se forman capas de lodos, coloides y solutos en la superficie de la membrana por lo que no se da un comportamiento adecuado de esta.

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El proceso de lodo activado (ASP) está destinado a reducir la contaminación orgánica, los sólidos en suspensión y la materia de floculantes para producir efluentes eficientes en la planta de tratamiento de aguas residuales. Muchos compuestos farmacéuticos se detectan en varias plantas de tratamiento durante el proceso de tratamiento. Se ha encontrado que la eficiencia de eliminación durante el proceso de lodo activado (ASP) varía del 30% al 70% con un tiempo de retención prolongado. El rendimiento depende de varios parámetros como variaciones estacionales, temperatura, pH, oxígeno disuelto (OD), carga natural, comunidad microbiana. En algunos estudios, se sugiere la biodegradación de muchos productos farmacéuticos tales como el ibuprofeno, el naproxeno, el bezafibrato y los estrógenos durante los procesos aeróbicos y anaeróbicos para garantizar que la eficiencia de eliminación de un parámetro en particular se alcance como se desea antes de experimentar una separación sólido/líquido en el clarificador.

4.4.2.4. REACTOR POR LOTES DE SECUENCIACIÓN

El reactor por lotes de secuenciación (SBR) es un sistema de tratamiento orgánico de lodo activado sofisticado y moderno. Este tipo de enfoque ahora se emplea en pocos sistemas. Las estructuras de los reactores por lotes de secuenciación son estructuras híbridas que tienen tendencias de reactor de tanque agitado y sistemas de mezcla completos, pero deben considerarse para el tratamiento, especialmente con los diferentes tipos de aguas residuales. En los ciclos, los reactores por lotes de secuenciación se llenan, reaccionan, se asientan, dibujan y están inactivos, independientemente. Un reactor por lotes de secuenciación difiere del sistema tradicional de tratamiento de lodos activados, haciendo así todos los procesos mencionados anteriormente en un mismo reactor. Los reactores por lotes de secuenciación son útiles para la eliminación de nutrientes y compuestos orgánicos

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también. Debido a este beneficio, se utiliza en todo el mundo para el tratamiento de aguas residuales desde hace muchos años (Khan et al., 2020).

El reactor por lotes de secuenciación es una modificación en el enfoque de tratamiento de lodos activados de tal manera que no se requieren tanques separados para aireación y sedimentación y no hay retorno de lodos. Tal método generalmente se realiza en menos área o si existe escasez de tierra.

4.4.2.5. TRATAMIENTOS CON CARBÓN ACTIVADO

La adsorción con carbón activado es un método bastante antiguo de tratamiento de contaminantes, incluido el tratamiento de aguas residuales hospitalarias. Se descubrió que tenía la capacidad de eliminar los disruptores endocrinos. Muchos estudios de tratamiento se llevaron a cabo empleando diferentes formas de carbón activado para dar resultados eficientes. En la adsorción, la atracción a nivel molecular conduce a la unión de las sustancias químicas solubles y gaseosas en la superficie. La activación del carbono da como resultado una estructura porosa que mejora las capacidades de adsorción (Khan et al., 2020).

4.4.2.6. TRATAMIENTO DE NANOTUBOS DE CARBONO

Los nanotubos de carbono de pared simple, pared doble y pared múltiple se utilizan para la eliminación de compuestos farmacéuticos al variar características importantes como la temperatura y el pH. La capacidad de adsorción aumenta hasta un 70% en el rango de pH 3-7. El nanotubo de carbono muestra una mejor eficiencia de eliminación de antibióticos hasta los límites del 10-95%. El nano tubo de carbón es una tecnología de adsorción nueva y muy prometedora hoy en día para el tratamiento de aguas residuales hospitalarias. También pueden ser golpeados con grafeno, óxido de grafeno para mejorar la eficiencia al

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aumentar el área de superficie. Pero algunos parámetros requieren ser mejorados, como la reducción del efecto estérico de los microporos, la regeneración, el reciclaje y la disminución del costo de producción. Pero debido a la coexistencia de adsorbentes y compuestos farmacéuticos puede ser una gran amenaza para la vida acuática. Muchos antibióticos son eliminados por muchos manos absorbentes como TiO2, FeO, aluminio, etc. en un proceso paso a paso como la adsorción en la superficie externa seguido de difusión entre partículas. Debido a la gran área superficial, muchos metales como el arsénico, el plomo, el mercurio, el cadmio y el cromo también han mostrado una alta capacidad de adsorción (Khan et al., 2020).