Aplicación de la fotocatálisis heterogénea en la inactivación de microorganismos para la reutilización de efluentes de depuradora

Abstract

El desarrollo económico implica la necesidad de disponer de recursos hídricos adicionales para poder abastecer a todos los sectores. El problema radica en que el deterioro del medio impide obtener recursos convencionales y es difícil realizar nuevas obras civiles de captación del recurso por lo que el déficit hídrico se agrava. Una de las vías para poder disminuir el uso de agua potable sin sacrificar el desarrollo económico consiste en la reutilización de efluentes de depuradoras puesto que dentro de los recursos hídricos, constituye uno de los recursos más importantes en volumen y disponibilidad. El 7 de diciembre de 2007 se instauró el Real Decreto 1620/2007 en el que se establece el régimen jurídico de reutilización de aguas depuradas, determinando los parámetros de calidad para cada uso del agua, siendo la concentración de Escherichia coli uno de ellos. La cloración es la técnica convencional de desinfección más utilizada, cuyo principal inconveniente es la generación de subproductos cancerígenos sin alcanzar en algunos casos la pureza establecida por la ley. Por este motivo, en la actualidad se están desarrollando las denominadas Tecnologías Avanzadas de Oxidación, que se basan en la generación de especies altamente oxidantes como el radical hidroxilo (OH·). Entre estas técnicas, destaca la fotocatálisis heterogénea con TiO2 por ser barata, limpia, no selectiva y permite el uso de luz solar para llevar a cabo el proceso. La aplicación comercial de la fotocatálisis en procesos de desinfección de aguas se encuentra todavía en fase de estudio. En el presente trabajo de investigación se ha estudiado algunas de las principales cuestiones relativas al desarrollo de estos procesos, como son las diferencias existentes entre las reacciones de inactivación de microorganismos y las de oxidación de compuestos químicos, la influencia de la estructura biológica de los microorganismos, el efecto de la composición química del agua, la dependencia del proceso respecto de la intensidad de la radiación incidente y el desarrollo de sistemas catalíticos inmovilizados que permitan aplicar esta tecnología en un proceso en continuo. Como microorganismos modelo en los experimentos de desinfección se han utilizado las bacterias Escherichia coli y Enterococcus faecalis, mientras que para la oxidación de contaminantes químicos se utilizó el azul de metileno (AM). Los resultados muestran que las bacterias Gram-positivas como E. faecalis son más resistentes a la inactivación que las bacterias Gram-negativas, probablemente debido al mayor espesor de la pared celular. Sin embargo estás diferencias no tienen un impacto significativo en los tiempos necesarios para llegar a la inactivación total, por lo que puede utilizarse solamente uno de estos microorganismos como indicador de la evolución del proceso, no siendo necesario seguir la inactivación de todos las especies presentes en el agua. Los resultados obtenidos en la evaluación de la actividad de procesos fotocatalíticos de oxidación de contaminantes no siempre pueden extrapolarse a procesos de desinfección fotocatalítica, ya que aunque algunas variables solo tienen efecto sobre las etapas fisicoquímicas del proceso (p.ej. la intensidad de radiación), otros factores influyen sobre aspectos microbiológicos que condicionan la sensibilidad de los microorganismos al tratamiento (p.ej. la composición del agua). Como era de esperar, los resultados muestran que la intensidad de radiación incidente condiciona en gran medida la eficacia del proceso. Sin embargo, la principal conclusión que se puede obtener de este estudio es que esta variable influye de manera similar en ambos tipos de procesos fotocatalíticos, lo que permite simplificar el diseño y optimización del campo de radiación del reactor fotocatalítico utilizando un colorante en vez de tener que trabajar directamente con los microorganismos. La presencia de sustancias orgánicas e inorgánicas en el agua influye de forma importante en los procesos fotocatalíticos reduciendo la eficiencia de los mismos. Estas sustancias compiten por las especies oxidantes con las bacterias, reduciendo significativamente la velocidad de inactivación respecto de los experimentos realizados con agua pura. Además, en los procesos de desinfección trabajar con agua pura supone un escenario de estrés osmótico para los microorganismos que produce el debilitamiento de la pared celular favoreciendo la inactivación. Por este motivo, se considera fundamental que el diseño del proceso se realice teniendo en cuenta el efluente real sobre el que se va a aplicar. Por último, se realizó un estudio de la actividad del catalizador en función de la configuración del reactor escogida. Así, las mejores actividades se obtienen cuando se trabaja con el reactor en lecho fijo puesto que en esta configuración el régimen de circulación es más turbulento aumentando el estrés mecánico a que están sometidas las bacterias. Además, tiene una mayor área superficial en comparación con el catalizador inmovilizado sobre tubos. La siguiente configuración en orden de actividad es el catalizador en suspensión puesto que también presenta una mayor área superficial disponible a la luz en comparación con el inmovilizado sobre tubo. El lecho fijo presenta la ventaja adicional de no requerir la etapa de recuperación del catalizador una vez finalizado el proceso, lo que lo convierte en la mejor opción para llevar a cabo la desinfección de las aguas tratadas en un proceso en continuo.