Eliminación de fármacos presentes en aguas residuales urbanas mediante procesos tipo fenton heterogéneos

Abstract

La presencia de compuestos farmacéuticos en los efluentes de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) se ha convertido, en los últimos años, en un potencial e importante problema medioambiental. Pese a que la concentración de los mismos es del orden de ¿g/L o ng/L y de manera individual no generan grandes complicaciones, no se conoce con total seguridad el riesgo que pueden generar sobre los ecosistemas acuáticos la combinación de varios de estos fármacos. Además, el hecho de la reutilización de las aguas tras el proceso de depuración (ya sea para regadío, consumo,etc) puede generar problemas de acumulación de estos contaminantes emergentes, pudiendo convertirse en un problema potencial para la salud. Por este motivo, durante la última década, se han llevado a cabo una serie de estudios para ofrecer distintas alternativas que permitan dar solución a este problema. En ellos, se recurría al empleo de técnicas de oxidación avanzada para la eliminación de este tipo de contaminantes. Estas técnicas pueden definirse, a grandes rasgos, como métodos de oxidación en los que intervienen radicales altamente reactivos (como por ejemplo, radicales hidroxilo) que producen la oxidación y mineralización del contaminante. Las principales técnicas aplicables son, entre otras, la fotocatálisis heterogénea, ozonización, fotofenton, sonolisis, electrolisis,etc. El presente estudio se centra en el estudio de sistemas Foto-Fenton y Sono-Fenton heterogéneos para la eliminación de un conjunto de ocho fármacos de distinta naturaleza, que comúnmente aparecen en los efluentes de depuradora. Estas técnicas consisten en la aplicación combinada de radiación UVvisible o ultrasonidos con H2O2 y un catalizador heterogéneo de hierro soportado sobre una sílice mesoporosa tipo SBA-15. La utilización de catalizadores heterogéneos implica una serie de ventajas, entre las que cabe destacar su fácil recuperación por filtración y una menor contaminación del medio de reacción por disolución de hierro. Los ensayos se llevaron a cabo sobre dos matrices acuosas diferentes, disolviendo en ellas una cierta concentración de los fármacos seleccionados (10 mg/L), pudiendo así evaluar la influencia de la matriz en la degradación. Sobre una matriz de agua ultrapura milli-Q, se han realizado un conjunto de experimentos para evaluar la influencia de los diferentes modos de reacción (H2O2, catalizador y luz o ultrasonidos) sobre la degradación, además de otros ensayos con concentraciones crecientes de peróxido de hidrógeno para evaluar el grado de degradación que experimentan los fármacos estudiados, según la cantidad de este agente oxidante. Por otro lado, sobre una matriz acuosa procedente de una EDAR reforzada también con la misma concentración de fármacos, se ha evaluado la influencia de la concentración de H2O2 en la degradación. Para ello, se han realizado diferentes experimentos con 50, 100, 200 y 450 mg/L de oxidante, siendo la última la concentración estequiométrica teórica determinada para la completa mineralización de la carga orgánica total. Sobre esta misma matriz reforzada, se evaluó la capacidad de adsorción del catalizador heterogéneo empleado. Por último, se ha analizado la eliminación de los fármacos en aguas naturales, es decir, en aquellas concentraciones en la que estos contaminantes se encuentran en el efluente real. Para ello, se emplearán ambas técnicas de oxidación junto con la cantidad estequiométrica de H2O2. Las técnicas analíticas empleadas en el presente estudio han sido la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) para determinar la concentración de los diferentes contaminantes en cada muestra, iodometría para establecer la eliminación del peróxido de hidrógeno y un analizador de carbono orgánico total (COT) para medir la mineralización de carbono. En cuanto a los resultados obtenidos tras la experimentación, se observa como ambas técnicas de oxidación avanzada presentan una elevada eficacia para degradar los contaminantes estudiados. Sin embargo, el sistema Sono-Fenton presenta un bajo aprovechamiento del peróxido de hidrógeno a concentraciones elevadas y una baja efectividad de degradación cuando se redujo la concentración inicial de oxidante. Sin embargo, el sistema Foto-Fenton presenta una elevada eficacia para cualquier concentración inicial de oxidante, además de un consumo mayoritario del mismo. Por este motivo, esta técnica parece ser más favorable para este tipo de ensayos. En cuanto a la concentración óptima de H2O2, se considera que es 450 mg/L cuando se aplica Foto-Fenton y 100 mg/L cuando se aplica Sono- Fenton, aunque, en todo caso, el sistema Foto-Fenton sigue siendo el más efectivo en la degradación de los fármacos. La gran mayoría de los contaminantes presentan un comportamiento similar y consiguen eliminarse mayoritariamente. No obstante, la nicotina es el que presenta mayores problemas para su eliminación. Por otro lado, se ha podido observar la relación existente entre el efecto matriz y la degradación en sistemas Foto-Fenton, mientras que en sistemas Sono-Fenton no parece que exista un efecto matriz a considerar. Además, se ha comprobado que sistemas más sencillos de oxidación (como sonicación por ultrasonidos sin catalizador ni H2O2), proporciona una degradación bastante significativa de los contaminantes tratados respecto a los sistemas Sono-Fenton. Sin embargo, para el sistema Foto-Fenton, la eficacia de la degradación es mucho mayor si se aplica esta técnica y no sistemas más sencillos, como la aplicación exclusiva de radiación UV-visible, o combinaciones de radiación UV y catalizador o radiación UV y peróxido de hidrógeno. También se ha confirmado que la adsorción de los compuestos sobre la superficie del catalizador heterogéneo es prácticamente despreciable para concentraciones iniciales de los mismos de 10 mg/L. Por último, el tratamiento del efluente real sirve para confirmar la eficacia de estas técnicas, especialmente el Foto-Fenton, por lo que sería viable emplearlas para tratar los efluentes de cualquier depuradora, aunque sería necesario reescalar el sistema a nivel industrial.