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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
“MINERALIZACIÓN DE LA CARGA ORGANICA CONTENIDO EN MATRICES ACUOSAS HOSPITALARIAS MEDIANTE
PROCESO FOTO-FENTON "
PRESENTADA POR:
Stefany Deyse OLORTICO SOTO
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
HUANCAYO – PERÚ
2022
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3
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
Stefany Deyse Olortico Soto
PARA OBTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
APROBADO POR EL JURADO SIGUIENTE:
PRESIDENTE: Dr. Wilder E. EUFRACIO ARIAS
SECRETARIO: Dr. David USCAMAYTA VERASTEGUI
PRIMER MIEMBRO: Dr. Andrés C. ROJAS QUINTO
SEGUNDO MIEMBRO: Dr. Iván L. OSORIO LÓPEZ
TERCER MIEMBRO: Ms. Félix A. VILLAVICENCIO RAMON
ASESOR DE TESIS: Dr. Andrés C. ROJAS QUINTO
Huancayo, 12 de Febrero de 2022
“MINERALIZACIÓN DE LA CARGA ORGANICA CONTENIDO EN MATRICES ACUOSAS
HOSPITALARIAS MEDIANTE PROCESO FOTO-FENTON
"
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ASESOR
Dr. ANDRÉS CORCINO ROJAS QUINTO
DNI: 19817308
CÓDIGO ORCID:0000-0001-7798-8748
5 Dedicatoria
A
Stefany
Al final de esta travesía y con la complacencia de un trabajo bien terminado, dedico esta tesis:
A Dios por ser la parte más importante de su creación;
A Dorita y Zenón, que siempre supieron guiarme y estuvieron pendientes de mí en todo momento. Una gran pareja que además de ser padres, son mis mejores amigos,
A mis familiares, que con solo su recuerdo hicieron muchísimo para alcanzar esta meta.
Para todos los que estuvieron en mi vida Para todos los que están ahora conmigo
Para todos los que vendrán con la bendición de Dios
6 Agradecimiento
Alcanzar culminar esta tesis de Maestría, ha sido una labor de trascendencia que pudo ser factible con el concurso de muchos aportes, que han hecho más fácil y gratificante mi trabajo. A lo largo de todo el camino antes, durante y hasta ahora, he adquirido deudas de gratitud con innumerables personas a las que me gustaría dar a conocer, desde estas páginas, mi más sincero agradecimiento, aunque resulta bastante difícil encontrar esas palabras que expresen esa profunda gratitud.
En primer lugar, mi agradecimiento especial al Dr. Andrés Rojas Quinto, por el aporte científico y su paciencia, por el gran esfuerzo realizado especialmente en la última etapa de este trabajo, y por todo lo que he aprendido de él, que puedo decir que quedo en deuda que solo el tiempo sabrá saldar.
A todos mis compañeros de la promoción de la maestría en Ingeniería Ambiental Jhoe, Jesus, Fabio y Jackeline con quienes en nuestras tertulias hablábamos de ciencia y más ciencia. Que el futuro en nuestras vidas honre esta amistad.
Con mucho cariño a mis padres, ellos no me han enseñado Química, que se aprende en los libros. Ellos me han dado lo fundamental: todo el amor y su compañía. Gracias eternas por apoyarme incluso cuando me he equivocado…nuevamente gracias.
Finamente agradezco a todos los que me ayudaron en algún momento aun sin saberlo, ya que me siento afortunada de conocer a muchas personas que hicieron que mis penas se fueran o mis problemas desaparecieran al hacerme sonreír.
Finalmente,
¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡Gracias a todos!!!!!!!!!!!!!!!!!
Stefany
7 Resumen
Los hospitales consumen en promedio de 400-1200 L/día/cama, los que generan grandes volúmenes de agua residual caracterizada por contener una diversidad de componentes tóxicos como fármacos, desinfectantes, microorganismos altamente patógenos y potencialmente elementos radiactivos. Las plantas de tratamiento de aguas residuales hospitalarios resultan ineficaces para la eliminación de los compuestos y microorganismos, de modo que, ingresan a los ecosistemas con un importante impacto ambiental y de salud pública. Ante este panorama surge la tecnología promisoria denominada Procesos de Oxidación Avanzada, que generan especies altamente oxidantes, capaces de mineralizar los contaminantes orgánicos a CO2 y H2O, y que son amigables con el ambiente y económicos.
En este sentido, el fin del proyecto fue determinar la mineralización de la carga orgánica contenida en las matrices acuosas residuales hospitalarias mediante el uso del POA foto-Fenton.
De los resultados se observa; luego de evaluar los niveles de las variables tiempo de contacto: 5, 10, 20, 30 minutos, peróxido de hidrógeno: 3, 5, 7 mL; y sulfato ferroso en 0,5; 1, 2 g, los valores óptimos en que se alcanzó la mineralización fueron: tiempo de contacto 30 minutos, peróxido 5 mL y sulfato 0,5 g., alcanzando mineralizaciones mayores al 90 %, asimismo se ha detectado que los niveles mayores de peróxido aceleran la formación del radicales hidroperoxilo que desaceleran el efecto oxidante sobre el contaminante, en tanto que, niveles mayores de sulfato también incrementan la formación de radicales hidroperoxilos que secuestran los radicales hidroxilo y disminuyen la mineralización. Estos resultados hacen muy promisoria esta tecnología en el abatimiento de los contaminantes orgánicos en matrices acuosas hospitalarias.
Palabras claves: POA, foto-Fenton, Mineralización, COT, Carga orgánica
8 Abstract
Hospitals consume an average of 400-1200 L/day/bed, which generate large volumes of wastewater characterized by containing a diversity of toxic components such as drugs, disinfectants, highly pathogenic microorganisms and potentially radioactive elements. Hospital wastewater treatment plants are ineffective for the elimination of compounds and microorganisms, so they enter ecosystems with a significant environmental and public health impact. Against this background, the promising technology called Advanced Oxidation Processes arises, which generate highly oxidizing species, capable of mineralizing organic pollutants to CO2 and H2O, and which are friendly to the environment and economical.
In this sense, the purpose of the project was to determine the mineralization of the organic load contained in the hospital residual aqueous matrices through the use of the photo-Fenton POA.
From the results it is observed; after evaluating the levels of the contact time variables:
5, 10, 20 and 30 minutes, hydrogen peroxide: 3, 5 and 7 mL; and ferrous sulfate in 0.5; 1 and 2 g, the optimal values at which mineralization was reached were: contact time 30 minutes, peroxide 5 mL and sulfate 0.5 g., reaching mineralization greater than 90 %, it has also been detected that higher levels of peroxide accelerate the formation of hydroperoxyl radicals that slow down the oxidizing effect on the contaminant, while, Higher levels of sulfate also increase the formation of hydroperoxyl radicals that sequester hydroxyl radicals and decrease mineralization.
These results make this technology very promising in the reduction of organic pollutants in hospital aqueous matrices.
Keywords: POA, Photo-Fenton, Mineralization, COT, Organic load.
9 Índice general
Dedicatoria... 5
Agradecimiento ... 6
Resumen ... 7
Abstract ... 8
Índice general ... 9
Índice de tablas ... 11
Índice de figuras ... 12
Introducción ... 13
CAPITULO I ... 14
MARCO TEÓRICO ... 14
1.1 Antecedentes o marco referencial ... 14
1.1.1. Antecedentes internacionales ... 14
1.1.2. Antecedentes nacionales ... 17
1.2. Bases teóricas y conceptuales ... 18
1.2.2. Aguas Residuales. ... 22
1.2.2.1. Definición. ... 22
1.2.2.2. Efectos de la Carga Orgánica de las Aguas Residuales en el Medio Ambiente. ... 23
1.3. Definición de términos básicos ... 45
1.3.1. Contaminantes emergentes ... 45
1.3.2. Procesos de oxidación Avanzada ... 45
1.3.3. Proceso de oxidación Fenton y foto-Fenton ... 45
1.4. Hipótesis de investigación ... 45
1.5.Operacionalización de las Variables ... 46
CAPITULO II ... 47
DISEÑO METODOLOGICO ... 47
2.1 Tipo y nivel de investigación ... 47
2.1.1. Tipo de investigación ... 47
2.2.Método de investigación... 47
2.3. Diseño de la Investigación ... 48
2.4. Población y Muestra ... 50
2.4.1. Población ... 50
2.4.2. Muestra: ... 50
10
2.4.2.1. Método de muestreo ... 50
2.4.2.2. Preparación de Muestra ... 50
2.4.2.3. Tamaño de la Muestra ... 50
2.5.Técnicas e instrumentos de Recopilación de Datos. ... 51
2.5.1. Procedimiento de la recolección de datos del experimento ... 51
2.5.2. Métodos de análisis físico-químicos ... 53
2.5.2.1. Carbono Orgánico Total. (COT) (UNE-EN 1484:1998) ... 53
2.5.2.2. Medidas de pH ... 53
2.5.2.3. Medidas de temperatura... 54
2.6. Técnicas de procesamiento de datos ... 54
CAPITULO III ... 56
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 56
3.1. Presentación de resultados ... 56
3.1.1. Reactivos utilizados ... 56
3.1.2. Características físicas de la muestra hospitalaria inicial ... 56
3.1.3. Cálculo del COT de la muestra inicial ... 57
3.1.3.1. Construcción de la curva de calibración ... 57
3.1.4. Cantidad de sulfato ferroso ... 57
3.1.5. Volumen de peróxido de hidrogeno ... 59
3.1.6. Tiempo de exposición ... 61
3.1.7. Porcentaje de mineralización ... 62
3.2. Análisis de varianza ... 66
3.2.1. Pruebas de normalidad ... 67
3.2.2. Comparación múltiple ... 67
CONCLUSIONES ... 69
RECOMENDACIONES ... 70
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 71
ANEXOS ... 74
ANEXO A: Materiales y Equipo utilizados en el desarrollo del proceso experimental ... 74
ANEXO B: Procedimiento del desarrollo experimental ... 75
ANEXO C: Reporte de mineralización del agua residual hospitalaria en función del Carbono Orgánico Total(COT) después de tratamiento con el proceso Foto-Fenton. ... 78
11 Índice de tablas
Tabla 1.1. DBO5 rangos de medida en diversos tipos de agua ... 23
Tabla 1.2. Resumen de las principales características del agua residual hospitalaria. ... 27
Tabla 1.3. Procesos de oxidación avanzada (POA) ... 32
Tabla 1.4. Potenciales de oxidación de algunos contaminantes ... 32
Tabla 1.5. POA's eficacia y estado de desarrollo. ... 35
Tabla 1.6. Mineralización de la carga orgánica contenido en matrices acuosas hospitalarias mediante proceso foto-Fenton ... 46
Tabla 2.1. Matriz de experimentos: para la variable sulfato ferroso heptahidratado. ... 49
Tabla 2.2. Matriz de experimentos: para la variable volumen de H2O2 ... 49
Tabla 2.3. Matriz de experimentos: para la variable Tiempo de irradiación UV ... 49
Tabla 2.4. Instrumentos de recolección de datos de cada actividad del desarrollo del estudio ... 50
Tabla 3.1. Características físicas y lista de reactivos empleados en las corridas experimentales ... 56
Tabla 3.2. Características físicas de la muestra inicial ... 56
Tabla 3.3. Concentración de Carbono Orgánico Total Inicial en función de la masa de Sulfato Ferroso heptahidratado. ... 58
Tabla 3.4. Concentración de Carbono Orgánico Total Inicial en función de la cantidad de peróxido de hidrógeno. ... 60
Tabla 3.5. Tiempo de exposición en la determinación de la concentración de Carbono Orgánico Total ... 60
Tabla 3.6. Porcentaje de mineralización en relación con la cantidad de Sulfato Ferroso ... 61
Tabla 3.7. Porcentaje de mineralización en relación con el volumen de Peróxido de hidrogeno ... 64
Tabla 3.8. Porcentaje de mineralización en relación con el tiempo de exposición ... 65
Tabla 3.9. Variables y numero de tratamientos datos de salida del programa SPSS ... 66
Tabla 3.10. Pruebas de normalidad ... 67
Tabla 3.11. Prueba de efectos ... 68
12 Índice de figuras
Figura 1.1. Características específicas del radical hidroxilo ... 33
Figura 1.2. Estrategia para la selección del mejor tratamiento para un agua residual industrial tóxica y/o no biodegradable. ... 36
Figura 1.3. Mecanismo simplificado del sistema foto-Fenton ... 40
Figura 2.1. Esquema del método utilizado en el estudio ... 48
Figura 2.2. Esquema del módulo de experimentación ... 52
Figura 2.3. Equipo para la determinación del COT ... 53
Figura 2.4. Imagen del instrumento pH-metro ... 54
Figura 2.5. Imagen del termómetro digital ... 54
Figura 3.1. Curva de calibración ... 57
Figura 3.2. Comportamiento de la cantidad de FeSO4 frente al COT a diferentes niveles del sulfato ... 58
Figura 3.3. Valores de las repeticiones para cada corrida experimental de FeSO4 Vs COT 59 Figura 3.4. Resultados del COT en las aguas residuales hospitalarios frente al cambio de los volúmenes de peróxidos de hidrógeno ... 60
Figura 3.5. Valores de las repeticiones para cada corrida experimental de H2O2 Vs COT . 60 Figura 3.6. Porcentaje de mineralización Vs Cantidad de Sulfato Ferroso ... 63
Figura 3.7. Porcentaje de mineralización Vs Cantidad de Sulfato Ferroso / arreglo repeticiones ... 63
Figura 3.8. Porcentaje de mineralización Vs Volumen de Peróxido de hidrogeno ... 64
Figura 3.9. Porcentaje de mineralización Vs Volumen de Peróxido de hidrogeno ... 65
Figura A.1. Toma y recolección de muestra del área de hospitalización del Hospital Daniel Alcides Carrión ... 74
Figura A.2. Acondicionamiento de la lámpara de radiación UV y preparación de los reactivos. ... 74
Figura B.1. Montaje del equipo para tratamiento Foto-Fenton de agua residual de procedencia hospitalaria. ... 75
Figura B.2. Agregación de reactivos Fenton a distintas concentraciones y volúmenes ... 75
Figura B.3. Muestras filtradas pos tratamiento Foto -Fenton... 76
Figura B.4. Proceso de mineralización ... 76
Figura B.5. Llenado de las muestras al finalizar el proceso Foto- Fenton al vial para el análisis de Carbono orgánico Total (COT)... 77
Figura B.6. Lectura en el equipo Toc Torch para determinar Carbono Orgánico Total (COT) ... 77
Figura C. Reporte de mineralización del agua residual hospitalaria en función del Carbono Orgánico Total(COT) después de tratamiento con el proceso Foto-Fenton ... 77
13 Introducción
Todos los líquidos residuales hospitalarios generados por el uso del agua en el internamiento, diagnostico, desinfección e investigación, contienen una vasta variedad de sustancias químicas como los productos farmacéuticos no metabolizados o parcialmente metabolizados, radioisótopos, solventes, desinfectantes, microrganismos patógenos como virus y bacterias muy resistentes a los antibióticos y altamente recalcitrantes,
Estas peculiaridades de las aguas residuales originados en los centro de salud representan una preocupación mundial por el riesgo de una potencial propagación de enfermedades y de riesgos medioambientales por ausencia de tratamientos adecuados antes de su descarga a las redes de alcantarillado: lo que toma trascendencia porque estos problemas no solo se resuelven con tecnología sanitarias sino también involucra aspectos sociales, económico, políticos y ambientales, obviarlos podrían provocar la contaminación de los compartimientos ambientales, y un desequilibrio biológico, sumado a generar efectos tóxicos agudos y mutagénicos en organismo vivos
A consecuencia de los daños y condiciones sanitarias generados por los efectos de las aguas residuales que sin ningún tratamiento se vierten en los cuerpos receptores, actualmente las tecnologías empleadas en su tratamiento están sometiéndose continuamente a investigación con el fin de mejorar el proceso bilógico a la que frecuentemente es sometida.
Un nuevo proceso para el tratamiento de aguas residuales hospitalarias reportados en la literatura abierta, son los denominados Procesos de Oxidación Avanzada, que han demostrado ser tecnologías promisorias para la reducción y control de la contaminación de los cuerpos de agua, sin embargo, muchas de estos procedimientos no están totalmente esclarecidos en sus mecanismos, condiciones de operación, tipo y concentración del contaminante, por lo que se requiere estudiarlos, específicamente el proceso foto-Fenton, para aplicarlos en las condiciones ambientales locales
14
CAPITULO I MARCO TEÓRICO
1.1 Antecedentes o marco referencial 1.1.1. Antecedentes internacionales
Luego de una revisión bibliográfica, se evidencian los estudios científicos que nos confirme los impactos ambientales y de salud pública generados por las diferentes sustancias controladas y no controladas en los efluentes hospitalarios.
Según lo mencionan (Fabara, 2019) la investigación es llevada a cabo ante el problema ambiental producida por la existencia de microorganismos patógenos y turbidez en las aguas residuales hospitalarias, teniendo como objetivo de comparar la eficiencia del cloruro férrico y del sulfato ferroso usados como coagulantes en el tratamiento de aguas residuales del Hospital Docente de Calderón, Ecuador, variándose el pH para el caso del cloruro férrico. Los parámetros considerados en la investigación fueron la DQO, la DBO5 y la turbidez para establecer el nivel de contaminación presente en el agua residual y agua tratada. Seleccionaron el proceso de coagulación para el tratamiento, considerando los niveles de contaminación que presento e agua residual: 533,33 mg/L de DQO, 235 mg/L de DBO5 y 35 NTU de turbidez.
Los resultados de la investigación indican una disminución de la DQO de 66,24 % cuando usó FeCl3 mientras que cuando empleó FeSO4 fue 49,37 % y cuando combinó FeCl3 + FeSO4 fue 56,68 %, en tanto que, la disminución total de la Turbidez con FeCl3 fue del 89,28 %, con FeSO4 del 86,06 % y con la combinación de FeCl3 + FeSO4 alcanzo el 87,64 %. Concluyendo que se alcanza la mejor remoción de la DQO de 79,37 % cuando se aplica el coagulante FeCl3.
(Muñoz & Chaparro, 2014) indican que una de las fuentes principales de los contaminantes emergentes, se encuentran en las aguas residuales hospitalarias (ejemplo. antibióticos, antiepilépticos, hormonas). Por otro lado, la baja eficiencia de los procesos convencionales biológicos aplicados mayoritariamente en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, para la degradación de la materia orgánica de este origen, se propone combinar procesos de oxidación avanzada con procesos biológicos, de modo que, aparece como una alternativa para eliminar el impacto en el ambiente. El objetivo de este trabajo fue evaluar el desempeño de un reactor anaerobio horizontal de lecho fijo (RAHLF) en el tratamiento de las aguas
15 residuales hospitalarias que han sido previamente ozonizadas. La degradación de la materia orgánica fue medida en función de la DQO en la aplicación del tratamiento combinado, alcanzando el 93 ± 4 % y cuando se adicionó radiación UV254 fue de 74
± 6 %. Los efectos de la aplicación de la ozonización sobre las aguas resultan en el incremento de la biodegradabilidad medida en la relación DQO/DBO5 fue de 51 %.
Concluyendo que, el tratamiento de las aguas residuales hospitalarias mediante procesos combinados de procesos de oxidación avanzada como la ozonización con procesos anaerobios de biomasa inmovilizada, constituyen una alternativa para lograr resultados óptimos en la degradación de la materia orgánica recalcitrante que se encuentran en este tipo de efluentes recalcitrantes.
Para (Ramos Alvariño, 2013), a nivel mundial es diana la preocupación la contaminación al medio ambiente y a la salud causados por los contaminantes peligrosos, en vista de que en la mayoría de los países no se cuenta aún con una legislación adecuada para su control. Como consecuencia de la huella médica en la que un medicamento se inicia en la producción, luego su ingesta y finalmente su excreción por los pacientes, que es donde se origina un volumen residual que contiene trazas de estos medicamentos y otros tóxicos, los cuales si no son tratadas pronto y adecuadamente constituyen un peligro constante para el medio ambiente por generar un desbalance biológico y la bioacumulación de las trazas en los acuíferos y en el suelo. En este sentido, el objetivo del trabajo es describir el estado del arte de los indicadores ambientales de este tipo de aguas residuales, su efecto en el medio ambiente y en los en organismos indicadores, con la consecuente propuestas de acciones correctoras que coadyuven a la protección de los recursos hídricos.
(Muñoz M. e.) consideran que muchas sustancias de alta toxicidad como los fármacos, desinfectantes y productos de higiene personal y microrganismo patógenos están contenidos en todas las aguas residuales hospitalarias, por tanto, es de alto riesgo medioambiental verterlos sin un previo tratamiento adecuado.
En la gran mayoría de los casos los residuos líquidos hospitalarios son vertidos directamente a las redes de alcantarillado, en tanto que otros que pasan a tratamiento antes de verterlos, en procesos convencionales cuya eficiencia deja mucho que desear, por lo que, estos residuos se han detectado en los ecosistemas acuáticos.
En este estudio se aplicó el reactivo Fenton en el tratamiento del efluente residual de un hospital de la Comunidad de Madrid. Las características de este efluente denotan una moderada carga orgánica expresada como DQO = 365 mg/L, asimismo una
16 cantidad de compuestos fenólicos en tres veces la cantidad permitida por la Ley que es igual a 8,4 mg/L y por ultimo contienen una elevada concentración de Colis;
equivalente a 4,16 x 106 NMP/100 mL.
Las corridas experimentales se realizaron a pH = 3 altamente ácido, el intervalo de niveles de temperatura fluctuó entre 50 ºC y 90 ºC, la dosis de H2O2 se calculó en la cantidad próxima a su estequiometria de 1000 mg/L para una concentración de hierro de Fe3+ = 25 mg/L.
De sus resultados concluyeron, que el proceso Fenton evidenció ser una tecnología promisoria para el tratamiento de este tipo de aguas residuales al obtenerse una reducción del DQO equivalente a 70 %, una mineralización del 50 %, la eliminación total de los fenoles, cuando se opera a las condiciones óptimas de temperatura entre 70 OC y 90 OC y de tiempo de reacción entre 4 h y 1,5 h, respectivamente. A estas condiciones obtuvieron productos de bajísima toxicidad como los ácidos orgánicos oxálico y fórmico, asegurándose además la desinfección al eliminarse completamente las coliformes.
(Encarnación, 2014) menciona que la escasez de agua es un problema que aqueja y concierne a la humanidad, la contaminación de los cuerpos de aguas superficiales y subterráneas donde se obtiene este vital líquido para actividades antropogénicas son afectados por la descarga de aguas residuales provenientes de los distintos sectores productivos, de servicio y uso doméstico, estos efluentes tienen un impacto directo en el ecosistema y bienestar de los organismos que viven en él, incluyendo al hombre. Las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) convencionales son una alternativa, no obstante, se ha puesto en duda su efectividad por la permanencia de moléculas orgánicas en concentraciones de micro y/o nanogramos por litro con efectos tóxicos en el efluente.
Los efluentes hospitalarios contienen entre sus componentes fármacos y hormonas sintéticas y/o naturales con estructuras orgánicas complejas resistentes a las PTAR convencionales con efectos nocivos en organismos vivos al estar en contactos de manera crónica. El uso de tratamientos terciarios que no solo remueven los compuestos peligrosos a una matriz sólida si no que eliminen o desactiven estas moléculas ha dado como resultado el desarrollo de los procesos de oxidación avanzada (POAs), los cuales generan radicales libres con la capacidad de degradar moléculas orgánicas recalcitrantes.
La fotocatálisis heterogénea es un POA que usa portadores de cargas foto- generadas (hueco-electrón) producidos por el TiO2, al utilizar la luz que corresponde
17 al ancho de banda prohibido, difundiendo a la superficie para reaccionar con moléculas de agua adsorbidas, formando radicales hidroxilo (*OH). Los foto- generados y los radicales hidroxilo oxidan moléculas orgánicas que se encuentran cerca de la superficie del TiO2. Mientras los electrones que se encuentran en la banda de conducción participan en los procesos de reducción, reaccionando normalmente con moléculas de oxígeno presentes en el aire para producir aniones superóxidos (𝑂2•−). Es posible utilizar la luz solar que llega a la superficie, sin embargo, su aprovechamiento es muy poco (≈ 5 %). En el laboratorio de química organometálica y materiales (LQOM) de la UAA se han hecho modificaciones en el catalizador como dopaje de iones Fe3+ insertados en la estructura cristalina de anatasa para aumentar la foto-actividad en luz visible y arreglo nano-métrico para incrementar el área superficial, dando como resultado una mejora importante en el rendimiento del catalizador.
El uso de un método de síntesis como el sol-gel utilizando reactivos amigables con el medio ambiente genera mayor expectativa sobre este tratamiento terciario.
El TiO2-Fe3+ es sintetizado como nano-polvos al ser utilizado en un sistema de tratamiento de agua a gran escala es casi imposible recuperarlo, lo que conlleva a la descarga en el efluente como contaminante secundario y aumento de costos en el proceso.
En este estudio se llevó a cabo la inmovilización del catalizador en distintos materiales para su reúso e implementación de un reactor. Se recubrió la matriz sólida con un a suspensión coloidal (sol) de TiO2 dopado con Fe3+ (TiO2-Fe3+), ya adherido a la superficie del material se dejó durante una noche reposando hasta formar un gel, se secó y se sintetizo a 350 OC. Se valuó el catalizador inmovilizado y el reactor fotocatalítico degradando microcontaminantes presentes en efluentes hospitalarios como hormonas esteroideas y diclofenaco (DCF) en muestras de laboratorio y reales.
El tratamiento de fotocatálisis heterogénea es una solución tecnológica muy atractiva al posibilitar el uso de energías limpias y costos de instalación económicos que hacen factible su incorporación al tren de tratamiento de las PTARs convencionales para la obtención de efluentes libres de microcontaminantes orgánicos tóxicos.
1.1.2. Antecedentes nacionales
(Gonzalez & Medina, 2014), en su tesis “Depuración de contaminantes presentes en efluentes de centros de salud I-4 mediante procesos oxidativo avanzados foto-Fenton en la micro red Arequipa- Caylloma, en el centro de salud de
18 Hunter”, indican que centraron su estudio en el análisis y tratamiento de aguas residuales hospitalarias del “Centro de Salud Javier Llosa García”, aplicando el POA foto-Fenton con las que definió las características de estos efluentes, con la finalidad de levantar un informe a nivel departamental de las características de las aguas residuales hospitalarias comprándolas con los Valores Máximo Admisibles (VMA), asimismo, para proponer un tratamiento adecuado para alcanzar los parámetros ambientales aceptables, disminuir el potencial riesgo en el ámbito social y ambiental y establecer un uso posterior del agua tratada.
La investigación involucró el análisis del área de estudio “Centro de Salud Javier Llosa García” por un periodo de 30 días, donde se estableció sus características de ubicación, infraestructura, pacientes atendidos, consumo de agua y consumo de fármacos; así que tiene 2 pisos, 1 sala de emergencia, 2 estacionamientos, durante el año 2017 – 2018 atendieron en promedio de 47428 pacientes aproximadamente, que han consumido de 3296 m3 de agua anual; y del stock de los 143 fármacos 23 de ellos son de uso reiterativo. Con esta información, se modelizó la dispersión de los fármacos en el agua aplicando los programas Epi Suite y Enviroland. Los resultados logrados certificados por el laboratorio ALS CORLAP, sobre una muestra de agua residual hospitalaria indican 112,1 mg/L aceites y grasas (alto), 133 NUO Color (alto), 1113,0 μS/cm Conductividad, 124 mg/L Demanda Química de Oxígeno, 210 mg O2/L Demanda Bioquímica de Oxígeno (alto), 9 pH (alcalino),198 mg/L Sólidos totales suspendidos, 142 NTU Turbidez, Olor no aceptable, entre otros análisis fisicoquímicos y microbiológicos, como línea base para caracterizar el efluente. Enseguida, se procedió a las corridas experimental Fenton empleando peróxido de hidrógeno al 50 %, sulfato de ferroso heptahidratado, hipoclorito de sodio, Luz y carbón activado F-200. Realizaron muestreo semanal durante dos meses, con la finalidad de determinar las concentraciones de los reactivos para utilizar una proporción adecuada de los reactivos para aplicar el proceso Fenton a escala de laboratorio.
El reporte proporcionado por el laboratorio ALS CORLAP del agua tratada por el reactivo Fenton entre otros parámetros fisicoquímicos y microbiológicos fueron:
aceites y grasas <1.0 mg/L, color 1 NUO, conductividad 8150 μS/cm, DQO 63 mg/L, DBO5 13 mg O2/L, pH 6.68, sólidos totales < 2 mg/L , turbidez 0.9 NTU, aceptable Olor.
1.2. Bases teóricas y conceptuales
1.2.1. Agua19 1.2.1.1. Definición
El agua es un compuesto con propiedades exclusivas, por lo que es básico para la vida animal y vegetal, es la sustancia que más abundante en la naturaleza y es fundamental en los proceso físicos, químicos y biológicos que controlan el medio natural.
Asimismo, una molécula de agua químicamente resulta de combinar un átomo de oxígeno con dos átomos de hidrógeno: En primera aproximación es una molécula aparentemente simple, sin embargo, por sus propiedades excepcionales forman la esencia misma de la vida en el planeta.
1.2.1.2. Propiedades Físicas y Químicas Fundamentales del Agua.
Concordante con Ergueta, F.(2018), la gran trascendencia del agua se sustenta en tres propiedades físicas fundamentales:
Gran poder calor específico, porque para incrementar su temperatura (1 kcal por kg de agua y grado Kelvin), se requiere abundante energía, propiedad que lo hace considerado como un excelente refrigerante. Además, se entiende que esta propiedad le permite extinguir el fuego, al disminuir drásticamente la temperatura del material que está en ardiendo. Por esta propiedad, las masas de agua en océanos, ríos y lagos son los grandes acumuladores de calor y con su inercia térmica contribuyen. radicalmente a regular el clima y la temperatura, amortiguan los extremos climáticos y suavizan el clima.
dipolo eléctrico, en razón de que genera una ligera atracción entre las moléculas de agua; mantiene su estado líquido en un rango de temperaturas comprendido entre 0 ºC a 100 ºC, algo muy poco frecuente.
Y es un disolvente excelente en cualquier proporción de muchas sustancias inorgánicas como las sales minerales y orgánicas polares como los detergentes, sales orgánicas, alcoholes y éteres y no reaccionan fácilmente por lo que es una sustancia casi inerte y sus moléculas tienen un fuerte dipolo eléctrico. Las sustancias que son disueltas en el agua, no forman opacidad porque esas partículas en fase líquida son muy pequeñísimas que la luz las atraviesa sin perturbaciones. Por esto es que las disoluciones son transparentes al paso de la luz ordinaria. “El agua limpia es transparente, pero el agua transparente no es necesariamente limpia”. La característica del agua de ser un excelente disolvente, hace que en su estado natural
20 no se encuentre pura, porque contendrá todo tipo de sustancias con la que entra en contacto.
El agua altera su pH por la presencia de ácidos o bases, con los cuales modifican su comportamiento químico, que lo hacen más asequible a reaccionar con otras sustancias. Cuando pr4edomina el pH +acido en el agua favorece la multiplicación de las bacterias, en tanto que, cuando el agua es básica aceleran el crecimiento de las levaduras y hongos. Cuando las aguas tienen excesos de acides o alcalinidad son inutilizables para los procesos industriales y/o para el consumo humano, especialmente porque dañan las infraestructuras; así que cuando son ácidas corroen y disuelve las estructuras metálicas (tuberías, bombas, conductos, etc.) y arrastran el plomo, cobre y otros metales. Cuando las aguas acidificadas se vierten a los terrenos tiene la capacidad de disolver los metales pesados que puedan encontrarse en las rocas, porque las disuelven.
1.2.1.3. La Contaminación Hídrica.
A partir de los albores del siglo XX, las ciudades e industrias empezaron a internalizar que los vertidos directos de los residuos líquidos y sólidos a los medios receptores provocan problemas medioambientales, según Ergueta, F. (2018).
Las necesidades de agua de uso doméstica alcanzan en promedio en países en vías de desarrollo los 150 litros por habitante día, que se dividen en un 20 % para servicios higiénicos, 40 % en ducha, 22 % en lavado de ropa y en cocina, y 19 % utilizados en: riego, cocina, bebida, etc. Por otro lado, es necesario adicionarse dentro de las necesidades del agua en actividades como: escuelas, hospitales, limpieza de calles, jardines, etc, que alcanza en promedio una demanda de 200-250 litros/día/ habitante. Satisfecha esta demanda, el agua pasara a los sistemas públicos de alcantarillado, para luego ser finalmente vertidos en los ríos. Se reporta que el 80
% de la contaminación de los océanos se originan de los ríos, de las emisiones costeras y de la atmósfera. En consecuencia, son las ciudades las que producen contaminación orgánica en su mayor proporción, seguida de las industrias que utilizan como materia prima los productos naturales y finalmente las industrias agroalimentarias en menor proporción. Asimismo, la contaminación tóxica es otra fuente causada por la manipulación de sustancias químicas en las industrias. Existe también la contaminación bacteriana generadas por la combinación de pozos negros de desechos con pozos de agua para el consumo humano. Finalmente, las aguas de refrigeración causan contaminación térmica en las aguas que serán eliminados
21 directamente a los desagües y ríos que podrían generar contaminación sobre la flora y fauna.
1.2.1.4. Descripción de los Principales Contaminantes.
Según Ergueta, F. (2018), (Pariona & Pineda, 2019) las aguas residuales por la gran cantidad de materia orgánica que contiene demandan mucho oxígeno para su descomposición que lo toma del agua, desoxigenándola por la que producen olores desagradables, reduciéndose sus nutrientes vegetales encargadas de estimular el desarrollo de las plantas acuáticas. Entre otros contaminantes reportados en la literatura de encuentran los productos químicos como los pesticidas, los detergentes, y los productos generados por la descomposición de otras sustancias orgánicas; el petróleo, vertidos en suelos accidentalmente; los minerales y reactivos químicos; los sedimentos formados por partículas del suelo, suelos sin protección, las explotaciones mineras, las carreteras; las sustancias radiactivas producidas en la explotación de minerales del uranio y el torio, usos en centrales nucleares, industrial, médico y científico de estos materiales; Otro contaminante es la temperatura contenida en el agua residual especialmente las que provienen de las aguas de refrigeración usadas en la industria y la de las aguas de centrales energéticas.
1.2.1.5. Enfermedades en el Agua.
(Rodríguez J. , 2016), menciona que los agentes encargados de transmitir las enfermedades contagiosas son más de carácter biológico que químico. El mecanismo por la que se transfieren estos patógenos son por la materia fecal de los seres vivos infectados y son adquiridos por la ingestión del agua o por el consumo de los alimentos infectados.
Los agentes patógenos se pueden clasificar en:
• Bacterias:
✓ Shigellae dysenteriae, cuya ingesta produce la disentería o diarrea sangrante.
✓ Salmonella typhi, causante de la fiebre tifoidea.
✓ Salmonella spp., agente de salmonelosis, que compite con la fiebre tifoidea, pero con menor grave.
✓ Los patógenos escherichia coli o e coli, causan las enfermedades gastrointestinales, en especial la diarrea.
✓ Vibrio cholerae, provoca diarrea y deshidratación.
• Virus: Entre las que se destaca la hepatitis A y E, cuyos síntomas clínicos son diarrea, vómito, debilidad muscular, pérdida del apetito y algunos síntomas
22
• semejantes a la gripe como dolor de cabeza y fiebre. El síntoma específico de esta enfermedad es el cambio de color en la piel a un tono amarillento. También se conoce otros virus como los enterovirus, los astrovirus y los rotavirus, que son los que producen la gastroenteritis infantil.
• Protozoos: Los más importantes son dos parásitos: el Giardia lamblia, que produce la giardiasis, una gastroenteritis sin presentar síntomas, y el Clyptosporidium, que se caracterizan por ocasionar diarreas muy fuertes.
• Helmintos: parásitos acuáticos que tienen la característica física como de gusanos o lombrices, por lo que pueden ser ingeridos o pueden penetrar a la piel con lo que logran infectar al hombre.
1.2.1.6. Efluentes Urbana y Periurbana de las Aguas Residuales.
Ergueta, F. (2018) menciona que los efluentes de las aguas residuales resultan del uso del agua en las diversas gestiones productivas, de tratamiento, de conversión, y otros, que son desarrollados en diferentes entornos públicos, en domicilios, en empresas, vertidos municipales, en cines, en granjas, en establos, en curtido de pieles, en hoteles, en centros comerciales, en mercados, en aeropuertos, en hospitales, en laboratorios, en mataderos, en envasadoras de lácteos, en terminales de autobuses, en estadios, en fábricas, en ingenios azucareros, en talleres mecánicos, en lavanderías, en lavadoras de autos, en factorías, en termoeléctricas, en refinerías, en petroleras o petroquímicas, en gasolineras o centros de distribución de gases y combustibles, en siderurgias, en fundidoras y todo tipo de procesos industriales en general, que se caracterizan como aguas: grises, negras, crudas, oleosas, bovinas, avícolas, porcinas, textiles, glucosas, grasosas, jabonosas, amargas, sulfurosas, aceitosas, e industriales en general.
Las aguas residuales producidos en los procesos de producción o transformación, se conocen como aguas residuales industriales, y son tratadas de manera análoga que tratamientos anteriores, diferenciándose en los tipos de mecanismos internos y equipos a emplearse.
1.2.2. Aguas Residuales.
1.2.2.1. Definición.
Para (Rodríguez J. , 2016) y Ergueta, F. (2018), (Doménech, 2018), (Duarte &
Gútierrez, 2013) y (Pariona & Pineda, 2019) las aguas residuales, que contienen fundamentalmente materias extrañas hacen que su calidad sea totalmente disminuida; siendo básicamente los microorganismos, productos químicos, residuos
23 industriales o aguas limpias que se mezclan con aguas negras, pluviales o naturales, que lo hacen inapropiados para usos pertinentes
1.2.2.2. Efectos de la Carga Orgánica de las Aguas Residuales en el Medio Ambiente.
De acuerdo a (Rodríguez J. , 2016) y Ergueta, F. (2018), (Doménech, 2018), (Laos, 2019), (Pariona & Pineda, 2019) la cantidad de materia orgánica es la que mide la calidad del agua en las aguas residuales, y se cuantifican por los parámetros como DBO5 Y DQO. Los altos contenidos de materia orgánica en el agua causan un incremento en la demanda de oxígeno para su descomposición biológica. Esto conduce a un consumo elevado de oxígeno disuelto y a una potencial generación de amoniaco cuando existen compuestos orgánicos nitrogenados presentes, por lo que la vida acuática se ve afectada por la reducción del oxígeno disuelto en el agua.
• Demanda biológica de oxígeno. DBO5 : En un líquido la Demanda Biológica de Oxígeno está definida como la cantidad de oxígeno que los microorganismos, especialmente bacterias aeróbias o anaerobias facultativas como: las Pseudomonas, la Escherichia, el Aerobacter, y Bacillius, hongos y plancton, consumen cuando disminuyen el contenido de las sustancias orgánicas en la muestra. Las unidades en las que se miden está dada en mg/L. Los valores de concentraciones de la DBO5 altos, es recomendable realizar tratamientos en los cuerpos de agua, en caso contrario llegan a ser un peligro para la vida acuática y la salud humana. Cuando estas aguas ingresan a las alcantarillas son potencialmente generadoras de sulfuros en el agua. Se miden en unidades mg de O2 por litro. El procedimiento de medir el DBO es durante cinco días, proporcionándonos una aproximación de la materia orgánica biodegradable.
Existen diferentes rangos de calidades de agua, que detallamos a continuación:
Tabla 1.1. DBO5 rangos de medida en diversos tipos de agua
Tipo de agua Rango de medida mg/L
Pura 0 – 20
levemente contaminada 20 - 100
medianamente contaminada 100 - 500
Muy contaminada 500 - 3000
Extremadamente contaminada 3000 - 15000
• Demanda Química de Oxígeno DQO. Se define como la cuantía de oxígeno que es requerido para oxidar por medios químicos la carga orgánica contenida en una
24 muestra de agua contaminada, bajo condiciones controladas de agente oxidante, tiempo de reacción y temperatura. La DBO se cuantifica en unidades mg de O2
por litro. Una conclusión de esta medida concluye que a mayor DBO5, el agua estará más contaminada.
• Relación entre la DBO5 y la DQO. – en esta relación en todos los casos la magnitud de la DQO siempre será mayor que la DBO5 porque la carga orgánica se oxida en forma química antes que biológicamente. La cantidad de DQO medido se interpreta como la cantidad de oxigeno requerido para degradar químicamente la carga orgánica, en tanto que, la demanda biológica de oxígeno y la demanda química de oxígeno, indica la cantidad de oxígeno que se necesita para degradar biológicamente la sustancia orgánica.
La relación entre la Demanda Biológica de Oxígeno y la Demanda Química de Oxígeno (DBO5/DQO), se define como Índice de biodegradabilidad, y se interpreta como el nivel de contaminación de las aguas residuales, bajo las siguientes magnitudes:
✓ Si la relación (DBO5/DQO) < 0,2 se considera a los efluentes de naturaleza industrial, que son poco biodegradables y se requieren tratamientos fisicoquímicos para elevar el índice de biodegradabilidad.
✓ Si la relación (DBO5/DQO) > 0,5 indica que son unos efluentes urbanos y por tanto son más biodegradables. A valores mayores de biodegradabilidad, estas aguas residuales se tratan mediante procesos biológicos.
1.2.2.3. Tipos de Aguas Residuales.
(Escobar & Córdova, 2018), (Doménech, 2018), (Duarte & Gútierrez, 2013) mencionan que existen diferentes tipos de aguas residuales entre las cuales se detallan a continuación.
1.2.2.3.1. Urbanas.
Estas aguas se caracterizan porque su composición es casi homogénea, que permite una mayor eficiencia cuando se trata por procesos biológico, sin embargo, existen muchos factores generados por los hábitos en el uso del agua por la sociedad como:
alimentarios, de consumo de agua, de uso de productos de limpieza y otros, también influye en gran proporción las estaciones secanos y lluviosos.
25 1.2.2.3.2. hospitalarias.
Las aguas residuales hospitalarias son fuentes de los contaminantes emergentes, que se combinan con las aguas que se utilizan en los recintos hospitalarios y que en la gran mayoría son echados sin ningún tratamiento a las fuentes receptoras.
1.2.2.4. Plantas de tratamiento de aguas residuales EDARs – PTARs.
Como lo menciona Ergueta, F. (2018), (Doménech, 2018), (Duarte &
Gútierrez, 2013) para la selección de un proceso de tratamiento de aguas residuales se deben tener en cuenta muchos factores como el tipo de agua residual, el tipo de contaminación contenida, la calidad a lograr y de la infraestructura física. Los tipos de tratamientos de aguas residuales que se encuentra en la literatura abierta son muy variados, destacando la precipitación, la neutralización, la oxidación química y biológica, la reducción, la filtración, la ósmosis, y otros.
Para el caso de agua residuales urbanas, la secuencia de tratamiento propuesta es la siguiente:
• Pretratamiento.
• Tratamiento Primario.
• Tratamiento Secundario.
• Tratamiento terciario que se adicionan solo en casos muy específicos.
Las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) o las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR)se utilizan para el tratamiento de aguas domésticas o urbanas, y se ubican dentro de los tratamientos secundarios o biológicos, porque las aguas urbanas son de carácter orgánicos mayormente.
1.2.3. Aguas Residuales Hospitalarias 1.2.3.1. Definición.
Estas aguas resultan de la combinación de desechos líquidos o de aguas que contienen residuos provenientes de las actividades administrativas y/o de origen de las diferentes actividades intrahospitalarias como el tratamiento de aguas, consultas médicas, cirugía, análisis de laboratorios y farmacología, por lo que contienen altas concentraciones de fármacos y medicamentos, algunos de los cuales presentan resistencia a los antibióticos, elementos radiactivos y radioisótopos, metales pesados y compuestos órgano-halogenados, tal como lo detalla (Rodríguez J. , 2016), (Camargo & Muñoz, 2019), (Duarte & Gútierrez, 2013), (Grisales , Ortega, &
Rodriguez, 2012).
26
1.2.3.2. Caracterización las Aguas Residuales Hospitalarias.
Según lo manifiesta Ergueta, F. (2018), (Camargo & Muñoz, 2019), (Duarte
& Gútierrez, 2013) para estimar el impacto de las aguas residuales hospitalarias cuando son vertidos en los recursos hídricos, se requiere establecer la carga contaminante contenida en el efluente de aguas residuales generada diariamente.
En muchos casos se puede estimar que el 80 % del volumen de agua que se emplea diariamente en un hospital llegan a ser considerados aguas residuales; el otro porcentaje se vaporiza. Las labores hospitalarias generan los siguientes residuos:
• Residuos generales asimilables a urbanos
Son aquellos residuos que se producen fuera del área hospitalaria, por lo que no se requieren gestión especial en su manejo, y forman el grupo de residuos urbanos o municipales. Destacan los residuos de comidas, alimentos desechos y condimentos utilizados en la preparación de alimentos en las cocinas, residuos en los comedores y cafeterías; mobiliario en desuso y colchones en descartados; también están los desechos de jardinería, embalajes y papelería generados en áreas administrativas residuos en talleres de mantenimiento, en almacenes y plataformas de carga y descarga, restos inertes de albañilería y chatarra.
• Residuos sanitarios similares a urbanos
Son aquellos desechos generados en las actividades de investigación o de labor asistencial, aunque no son considerados como desechos sanitarios peligrosos.
Estan consideradas dentro de estos desechos los curitas autoadhesivos, desechos de intervenciones quirúrgicas menores, morrales plásticos de orina vacías, bolsas desechables de aspiración vacíos, restos de yesos, sondas descartadas, pañales usados y, en general, todos aquellos objetos que para ser eliminadas no necesitan de requisitos especiales para evitar infecciones. Son considerados fundamentalmente los residuos sólidos.
• Residuos peligrosos
Estos residuos son aquellos que están catalogados en las normas internacionales como peligrosos, como por ejemplo la Organización Mundial de la Salud (OMS), y que incluyen los recipientes y envases que los hayan contenido. Por otro lado también están comprendidos todos aquellos envases peligrosos que pueda aprobar el gobierno en concordancia de los convenios internacionales.
• Residuos peligrosos sanitarios
Son desechos que se producen por el trabajo asistencial en un centro de salud, que son considerados como un riesgo potencial para la persona o el medio ambiente, por
27 lo que es necesario considerar medidas preventivas para su manipulación, recogida, almacenamiento, transporte, tratamiento y eliminación. Entre este tipo de residuos se cuentan: desechos de características infecciosas como las agujas y otros materiales punzocortantes, asimismo los cultivos infecciosos, las vacunas vivas y atenuadas, la sangre y hemoderivados en estado líquido, residuos químicos y citostáticos.
En la tabla 1.2 se muestra las características cuantitativas globales en promedio de los contaminantes de mayor riesgo contenido en las aguas residuales de muchos centros de salud, destacándose los contaminantes emergentes como los fármacos y desinfectantes usados en los hospitales:
Tabla 1.2. Resumen de las principales características del agua residual hospitalaria.
Parámetro Valor
pH 8,6 (20 ºC)
DQO(mg L-1) 365
COT (mg L-1) 110
Nitrógeno total (mg L-1) 94
Sólidos en suspensión (mg L-1) 138
Ecotoxicidad (UT) 4.8
Fenoles totales (mg L-1) 8,4
Coliformes totales (NMP/100 mL) 4.16 x 106
Fuente; (Muñoz M. e.)
1.2.3.3.
Tipos de Efluentes Líquidos Hospitalarios
.Los autores (Escobar & Córdova, 2018), (Camargo & Muñoz, 2019), (Duarte
& Gútierrez, 2013) establecen que los locales hospitalarios generan las siguientes formas de desechos líquidos:
• Residuos líquidos de origen doméstico. - Son las aguas residuales que se originan en las cocinas, en las unidades de lavado de ropas, servicios de higiene de los pacientes y del personal hospitalario.
• Residuos líquidos de origen Industrial. - Estas aguas son de los estacionamientos y de talleres con contenidos de aceites y detergentes de los lavados de carros.
• Los producidos en las labores de aseo, análisis y de búsqueda, que son muy específicos de hospitales. Se consideran entre este tipo los restos de productos clínicos y radiactivos, productos líquidos biológicos, excretas contagiosas e del mismo modo los desperdicios de medicamentos excretados por los pacientes.
El detalle de los desechos líquidos específicos por actividad médica en los hospitales se describe a continuación, entre otras:
28
• Restos generados en las labores clínicas: erradicación de glutaraldehídos, eliminación de micro gotas de mercurio que resultan de termómetros quebrados, y residuos líquidos de baños de diálisis.
• Residuos líquidos de labores médicas producidos en las salas de operación con elevada carga orgánica o líquidos biológicos como: la sangre, la orina, las deposiciones, los líquidos gástricos, los líquidos de derrames peritoneales o pleurales, los líquidos de drenajes o de irrigación.
• Restos de actividades de conservación y limpieza de materiales médicos y locales como detergentes/desinfectantes o de desinfectantes que contienen trazas de residuos orgánicos o medicamentos.
• Residuos líquidos de laboratorio médico biológico, como: la sangre, la saliva, la orina, los reactivos ácidos y/o bases, los diversos químicos, los solventes, y otros.
• Desperdicios de laboratorio de anatomía- patología: Hidrocarburos de cadena bencénica; desinfectantes: formol, alcohol etílico; solventes: como el benceno y el xileno; ácidos entre ellos el ácido acético, ácido láctico y ácido cítrico; bases: entre ellos la soda; los colorantes; los desperdicios médicos radiactivos; desechos de la farmacia en los centros de salud: preparación de todo tipo de desinfectantes, y otros.
1.2.3.4. Fuentes de las Emisiones Hospitalarias.
Los focos desde donde se emiten los residuos hospitalarios, según Ergueta, F. (2018), (Duarte & Gútierrez, 2013) son:
• Calderas y equipos que producen vapor y agua caliente para uso directo y para calefacción.
• De vehículos que laboran en el centro de salud.
• De equipos o grupos de generación eléctrica.
• Restos generales asimilables a urbanos.
• Desechos sanitarios asimilables a urbanos.
• Remanentes sanitarios peligrosos.
• Desperdicios químicos y citostáticos.
• Restos de papel, plásticos y cartón.
• Residuos humanos dispuestos en excreciones y secreciones de personas tratadas con radioisótopos.
• Restos de Medicamentos como resultado del tratamiento médico.
• Restos acuosos de la unidad de diálisis
• Desechos líquidos en cualquier área hospitalaria.
29
1.2.3.5. Efectos de la Contaminación del Agua Residual Hospitalaria.
En la última década ha sido una preocupación cada vez mayor el efecto producido por los desechos generados en los centros de salud sobre los ecosistemas acuáticos naturales que ha hecho que sea diana de los investigadores la preocupación ambiental y para la salud de la población, en concordancia con Ergueta, F. (2018), (Duarte & Gútierrez, 2013), (Grisales , Ortega, & Rodriguez, 2012). Los reportes encontrados de muchos investigadores detallan el gran problema en la eliminación de los contaminantes de estas aguas residuales hospitalarias, por el peligro latente de la presencia de enterobacterias, coliformes fecales, virus, entre otros, además de otros que van adquiriendo resistencia antibiótica, asimismo se puede observar solventes y metales pesados. Dadas estas características las aguas residuales hospitalarias conforman una mezcla compleja de actividad tóxica y de mutación genética que depende de las interacciones entre sus componentes y el medio ambiente en el cual se descargan.
La salud humana es uno de los primeros en recibir estos efectos de la contaminación del agua, así la presencia de sales de ácido nítrico en el agua puede producir enfermedades infantiles a veces con carácter mortal. La presencia de cadmio encontrados en lodos puede ser absorbidos por las cosechas de alimentos y que al ser ingeridos en altas concentraciones producen trastornos diarreicos agudos, tanto como lesiones en el hígado y los riñones. Del mismo modo, que la presencia del mercurio, el arsénico y plomo son una peligrosidad para la salud humana.
Los medios receptores como los lagos sufren la eutrofización por la contaminación recibida de las aguas residuales, como consecuencia del enriquecimiento del agua por lo nutrientes en forma artificial y descontrolada, que provienen de las emisiones de los seres humanos y de los fertilizantes arrastrados por las aguas desde los campos de sembríos, con los que se produce un crecimiento excesivo de plantas, que genera un efecto antiestético, mal olor, mal sabor, crecimiento de algas, reducción del oxígeno en las aguas más profundas y una gran acumulación de sedimentos en el fondo, así también se pueden producir precipitados de sales de carbonato de calcio cuando existen aguas duras.
1.2.3.6. Tratamiento de Efluentes Líquidos hospitalarios.
Ergueta, F. (2018), (Duarte & Gútierrez, 2013) señalan que las aguas residuales de centros de salud son descargadas a la red de alcantarillado público después de ser tratados en una planta depuradora, estando sujeto a las normas ambientales pertinentes.
30 Entendiéndose que las aguas residuales hospitalarias son combinaciones de los desechos líquido peligrosos o no peligrosos, los generados permanentemente, así como los producidos en forma eventuales, o los que se podrían producir en un futuro, como lo mencionan (Escobar & Córdova, 2018), la literatura reporta los esquemas de tratamiento siguientes:
• Tratamiento preliminar. - Se utiliza para mejorar la eficiencia de los procesos primarios, secundarios y terciarios. En el tratamiento preliminar se eliminan o separar los sólidos que pueda contener el agua residual y a separar las cantidades en exceso de grasas y aceites. Para efectuar este tratamiento se utilizan: rejas de metal, cedazos, desmenuzadores para reducir de tamaño los sólidos muy grandes como molinos, cortadores o trituradores, también incluyen desarenadores y depósitos de pre - aireación.
• Tratamiento primario. – En esta etapa se separan las aguas negras de los sólidos orgánicos e inorgánicos, para el que se aplica la sedimentación. Mediante este tratamiento se puede remover de 40 % a 60 % de los sólidos suspendidos y un 25-35 % de la DQO, sin embargo, no se pueden eliminar los compuestos solubles.
Los equipos frecuentemente empleados son: los depósitos sépticos, el tanque de doble acción. (tanque imhoff), recipientes de sedimentación con eliminación mecánica de lodos, y clarificadores de flujo ascendente que eliminan mecánicamente los lodos.
• Tratamiento secundario. - En esta etapa de tratamiento se logra remover la DBO5
soluble que no es removido en el proceso primario, permitiendo remover las cantidades adicionales de sólidos suspendidos que puedan haber quedado. Esta depuración se lleva a cabo utilizando medio biológicos. Los mecanismos más usuales en este tratamiento son: los lodos activados, los filtros percoladores, laguna de estabilización, y biodiscos.
• Tratamiento terciario. - Este tratamiento se aplican en los casos en que los compuestos residuales como el nitrógeno, el fosforo, metales pesados, DQO soluble, no hayan podido ser degradados hasta los límites máximos permisibles, en la etapa secundaria de las aguas residuales y también aquí se incluyen el tratamiento y disposición de lodos.
1.2.4. Procesos de Oxidación Avanzada (POAs)
(De la Cruz, 2013), (Agudelo, 2019), (Cortez, 2018), (Martínez, 2019), señalan que es de larga data la aplicación de diferentes tecnologías habituales en la depuración de aguas residuales, como son los biológicos, el uso de adsorbentes para
31 la adsorción, oxidación térmica, cloración, procedimiento de floculación-coagulación- precipitación, tratamiento por membranas como la osmosis inversa y otros. Pese a todos estos tratamientos, existen contaminantes en los que estos tratamiento son ineficientes por lo que no pueden alcanzar el grado de pureza buscado, para los cuales es necesario aplicar tratamientos de última generación que sean más eficientes, como es el caso de los Procesos de Oxidación Avanzada (POAs), que tienen la capacidad el eliminar totalmente o parcialmente los contaminantes recalcitrantes a los tratamientos tradicionales, o la la reducción de la toxicidad y /o la destrucción de microorganismos patógenos.
Asimismo, (Pérez, 2017), (De la Cruz, 2013), (Cruz, 2019) concuerdan en detallar que los procesos de oxidación avanzada (POAs) son procesos fisicoquímicos que tienen la capacidad de cambiar las estructuras química de los contaminantes, mediante la generación y uso de especies altamente reactivos, denominados radicales hidroxilo (𝐻𝑂•), porque tienen un potencial de oxidación (EO = 2,8 V). Esta propiedad hace que sean muy efectivos en la oxidación de compuestos orgánicos, principalmente por abstracción de hidrógeno.
1.2.4.1. Ventajas de los Procesos de Oxidación Avanzada.
Las principales ventajas de los POAs sobre las tecnologías convencionales a considerar son, según, (De la Cruz, 2013), (Pérez, 2017), (Agudelo, 2019) , (Martínez, 2019): Alcanzan una mineralización total de los compuestos orgánicos y oxidación profunda de los compuestos inorgánicos por su alta capacidad potencial, en tanto que, las tecnologías convencionales no oxidan completamente al contaminante por no usar especies oxidantes muy fuertes
• Alta reactividad con casi la totalidad de los compuestos orgánicos, de modo que, se evita la presencia de subproductos potencialmente tóxicos.
• Los reactivos oxidantes empleados en estos procesos se descomponen en productos inocuos.
• Transforman químicamente al contaminante y no solo le producen un cambio de fase como la hacen los procesos convencionales.
• No generan lodos residuales, que requerirían un proceso posterior de confinamiento
• Son adecuados para el tratamiento de contaminantes que tiene baja concentración como ppm, ppb, nano, y de carácter refractarios, que no pueden ser degradados por procesos convencionales.
• Mejoran las propiedades organolépticas de las aguas tratadas
32 1.2.4.2. Clasificación de los POAs.
De acuerdo a (De la Cruz, 2013), (Pérez, 2017), (Agudelo, 2019), (Contreras
& Terán, 2020) los Procesos de Oxidación Avanzada (POAs), según el fundamento fisicoquímico utilizado para la generación de las especies oxidantes se clasifican en dos grupos: los procesos fotoquímicos que aplican la radiación por fuente energéticas o de luz natural, para genera los radicales hidroxilos; y los no fotoquímicos, en la que se generan los radicales hidroxilos por transformación de especies químicas. En la tabla 1.3 se resume las técnicas más comunes empleados en los POAs .
Tabla 1.3. Procesos de oxidación avanzada (POA)
Procesos no fotoquímicos Procesos fotoquímicos
Tipo de proceso Rango de longitudes de onda de radiación (nm) Ozonización en medio
alcalino (O3/OH-)
Fotólisis del agua con ultravioleta de vacío (UVV)
˂ 190 Ozonización con peróxido
de hidrógeno (O3/H2O2)
UV/peróxido de hidrógeno (UV/H2O2)
˂ 280 Fenton y procesos
relacionados (Fe2+/H2O2)
UV/ozono (UV/O3) 280 - 315
Oxidación electroquímica Foto-Fenton y procesos relacionados
UV-visible hasta 450 Radiólisis 𝛾 y tratamiento
con haces de electrones
Hierro cero-valente y UV UV
Plasma no térmico (descarga corona)
Fotocatálisis heterogénea con TiO2
UV hasta 380 Ultrasonido, descarga
electrohidraúlica
Oxidación con aire húmedo Oxidación con agua sub/y supercrítica
Hierro cero-valencia Ferrato
Fuente: (De la Cruz, 2013), (Pérez, 2017)
1.2.5. El radical hidroxilo
Es una especie oxidante activa de un potencial de oxidación muy elevado, y que ocupa el segundo lugar en la escala de potencial de oxidación después del flúor, como se detalla en la tabla 1.4. (Rodríguez & Becerra, 2020), (Zúñiga, 2016).
Tabla 1.4. Potenciales de oxidación de algunos contaminantes
Especie Potencial de oxidación
Flúor 3,03
radical hidroxilo 2,80
oxígeno atómico 2,42
ozono 2,07
33
peróxido de hidrógeno 1,78
radical perhidroxilo 1,70
permanganato 1,68
ácido hipobromoso 1,59
dióxido de cloro 1,57
ácido hipocloroso 1,49
ácido hipoyodoso 1,45
cloro 1,36
bromo 1,09
yodo 0,54
Fuente: (De la Cruz, 2013)
Además de ser el radical hidroxilo un agente oxidante extremadamente reactivo, también, es una especie que tiene un tiempo de vida media muy corto, no es selectivo, demuestra una elevada reactividad, es de producción casi directa, y otras propiedades específicas que se resumen en la figura 1.1.
Fuente: (De la Cruz, 2013)
La reacción principal por la que el radical hidroxilo elimina los contaminantes en los POAs puede ser por abstracción de un hidrógeno (ecuación 1), o por adición electrofílica sobre un enlace π (ecuación 2) o por reacciones por transferencia de electrones (ec. 3): (Rodríguez & Becerra, 2020)
𝐻𝑂•+ 𝑅𝐻 → 𝑅•+ 𝐻2𝑂 (1) 𝐻𝑂•+ 𝐴𝑟𝑋 �