Eliminación de xenobióticos de aguas residuales urbanas mediante biorreactores de membrana sumergida

Zusammenfassung

Resumen La falta de acceso al agua ha sido siempre un factor limitante para el desarrollo de las sociedades y el sostenimiento de los ecosistemas. En regiones donde coinciden unos escasos recursos hídricos con una elevada densidad de población la mejora en la depuración de las aguas residuales y el uso de fuentes no convencionales de agua se presenta como una necesidad. La reutilización de las aguas residuales, permite aumentar los recursos hídricos disponibles a la vez que disminuye el impacto ocasionado por la carga contaminante presente en las aguas residuales. La sociedad moderna depende de gran cantidad de compuestos xenobióticos, los cuales acaban llegando a las aguas residuales presentando estas una mezcla diversa de compuestos xenobióticos habitualmente con bajas concentraciones (μg/L o ng/L). La eliminación de los xenobióticos en los sistemas de tratamiento de aguas residuales depende de las características del compuesto y de la naturaleza del proceso. Diversos estudios confirman que muchos xenobióticos iii son relativamente eliminados durante los tratamientos convencionales de fangos activos (CASP) sin embargo otros apenas son eliminados y alcanzan las masas de agua a través de los efluentes de EDARs convencionales. Como alternativa se encuentran los biorreactores de membranas sumergida (MBR), basados en el mismo principio biológico de fangos activos que los CASP, realizando la separación sólido-líquido mediante filtración a través de una membrana. La tecnología MBR se ha mostrado eficaz en la eliminación de materia orgánica disuelta, reducción de nitrógeno y desinfección física de las aguas residuales. Por otro lado, los mecanismos por los cuales son parcialmente eliminados los diferentes xenobióticos mediante sistemas de fangos activos son la biotransformación o biodegradación, la volatilización o la adsorción sobre fango, dependiendo de la naturaleza del compuesto. Determinadas variables del proceso biológico como el tiempo de retención celular (SRT) y el tiempo de retención hidráulico (HRT) afectan a la eliminación de estas sustancias, y los MBRs presentan mayores valores que los CASP para estos parámetros, pudiendo representar una interesante opción para su eliminación. Los xenobióticos se pueden diferenciar entre los considerados como contaminantes clásicos, sobre los que existe preocupación por su presencia en el medio acuático y los efectos que ello acarrea desde hace años, y los contaminantes emergentes, cuyos efectos en el medio ambiente han comenzado a suscitar inquietud en los últimos años. El presente trabajo pretende valorar la eficacia de la tecnología MBR en la eliminación de xenobióticos de las aguas residuales urbanas bajo condiciones de elevado tiempo de retención celular (SRT) y elevado tiempo de retención hidráulica (HRT), y para el desarrollo del mismo se seleccionaron dos de los grupos de xenobióticos más importantes, los fármacos entre los considerados contaminantes emergentes y los hidrocarburos aromáticos policíclicos entre los contaminantes clásicos. Dada la heterogeneidad de estos grupos, se seleccionaron determinados compuestos cuya importancia se debe a distintos motivos: iv Fármacos que presentan una elevada resistencia a los tratamientos convencionales y por tanto una elevada persistencia en el medio ambiente, como la carbamacepina (CBZ) y el diclofenaco (DCF), cuyos efectos negativos para el medio ambiente representan un riesgo considerable. Fármacos considerados menos resistentes a la degradación, cuyo abundante uso hacen que sean habitualmente detectados en distitnas masas de agua, y que también presentan efectos nocivos para el medio ambiente, como el ibuprofeno (IBU), naproxeno (NPX) y el ketoprofeno (KTP). Hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), cuya elevada toxicidad, persistencia y distribución les hace representar un serio riesgo para la salud pública y el medio ambiente. Por esto son considerados contaminates prioritarios en Europa, pero a pesar de las medidas tomadas para su control siguen estando presentes en multiples ecosistemas y organismos. Para determinar la capacidad de eliminación/retención de los diferentes xenobióticos se trabajó con una instalación experimental a escala real con dos MBR independientes, ambos configurados en pre-desnitrificación y compuestos por un biorreactor anóxico, un biorreactor aireado y un tanque de membranas. Uno de los biorreactores estaba equipado con membranas planas de microfiltración fabricadas en polietileno clorado y el otro estaba equipado con membranas de fibra hueca de ultrafiltración con una trenza textil interior recubierta con polivinildenfluoruro (PVDF). Ambos MBR eran alimentados con agua residual urbana proveniente del pretratamiento de la EDAR-Sur de Granada tras el desbaste, desarenado y desengrasado. La alimentación se realizaba al reactor anóxico. Posteriormente el fango era bombeado al reactor aireado, desde el que se realizanban las purgas de fango y se alimentaba el tanque de membranas. v En el tanque de membranas existía aireación enérgica para evitar el ensuciamiento/taponamiento de las mismas y el fango concentrado era recirculado al reactor anóxico. En la instalación se midió en continuo temperatura, oxígeno disuelto y pH del fango activo. En todas las muestras de influente y efluente se analizaron sólidos en suspensión totales, sólidos en suspensión volátiles, demanda química de oxígeno (DQO), demanda biológica de oxígeno (5 días) (DBO5), las diferentes formas del nitrógeno (NH4+, NO3-, NO2-) y nitrógeno total. Y los xenobióticos se determinan en el influente, efluente, fangos activos de los distintos reactores y la purga para poder realizar un balance de materia para cada sustancia. Se realizaron también ensayos respirométricos y cultivos microbianos encaminados a determinar la toxicidad para el fango activo y la presencia de degradadores de los xenobióticos Durante la realización del presente trabajo, el HRT fue de 34 horas para el análisis de los PAHs, y de 35 horas para el resto de sustancias, mientras que el SRT fue de 12 y 25 días para los PAHs y de 37 días para los antiinflamatorios no esteroideos (IBU, NPX, KTP y DCF) , alcanzándose 40 días para la carbamacepina. En el caso de la CBZ, una elevada presencia de la misma en el agua residual mostró efectos negativos en la biomasa, pero a las pocas horas habían desaparecido y no se apreció efecto alguno en la calidad del efluente del sistema, en términos de eliminación de materia orgánica y nitrógeno. No se detectó biodegradación durante el tratamiento en el MBR y este, con un rendimiento inferior al 10 %, se mostró ineficaz en la eliminación de la CBZ. Durante el estudio con IBU, NPX, KTP y DCF se observó que la mayor parte de la eliminación de estos compuestos se realizaba en el reactor aireado. Los rendimientos para IBU, NPX y KTP fueron superiores al 95 %, similares a los registrados para la eliminación de la materia vi orgánica biodegradable. Por ello es posible afirmar que el principal mecanismo implicado en la eliminación de estos compuestos fue la biodegradación/ biotransformación. Para el DCF se observó un comportamiento similar al de la CBZ, su eliminación fue baja, incluso con rendimientos negativos en determinados periodos. Tanto la eliminación como el incremento de DCF se producían en el reactor aireado; esto indicaba la acumulación del DCF en el sistema, intensificada por la elevada recirculación y la existencia de procesos biológicos implicados en estas transformaciones. Estos rendimientos negativos también fueron observados puntualmente para la CBZ. La eficacia del sistema MBR para la eliminación de los NSAIDs analizados depende en mayor o menor medida de la capacidad de biotransformación de dichos contaminantes. Para la etapa de la investigación con los PAHs, se llevaron a cabo ensayos en biorreactores de laboratorio empleando fangos activos de un sistema MBR a escala real, y estos mostraron unos elevados rendimientos en la eliminación de fenantreno (Phen), pireno (Py) y fluoranteno (F). No se observó toxicidad durante los ensayos con PAHs, no estando estos biodisponibles. Estos resultados indicaban la importancia del mecanismo del arrastre por aire en la eliminación de estos compuestos, quedando en un segundo plano la asociación con la biomasa y cuestionando una insignificante contribución de la volatilización y la biodegradación. Se desarrolló un segundo estudio con PAHs con la intención de realizar balances de materia en un sistema MBR y poder determinar la importancia de las distintas vías de eliminación de los mismos. En el MBR a escala real, los valores para el rendimiento en la eliminación del Py y F fueron superiores al 90 %, y en el caso del Phen el rendimiento fue del 82 %. Los resultados mostraron una escasa asociación de los PAHs con la biomasa del fango activo y, aunque se habían aislado microorganismos degradadores de PAHs, destacaba la ausencia de biodegradación. Estos vii hechos revelan que el arrastre por aire es el principal mecanismo responsable de la eliminación de los PAHs en sistemas MBR. Por último, la eficiencia del proceso MBR en términos de calidad del efluente no se vio alterada ante un suceso con elevada concentración de PAHs en el influente. Por tanto, la eficacia de la tecnología MBR para la eliminación de xenobióticos presentes en aguas residuales urbanas, trabajando con elevados SRT y HRT, varía de unos compuestos a otros. Estas diferencias se deben a la distinta naturaleza química de los contaminantes que, junto con las condiciones operacionales, determinan las principales vías implicadas en la eliminación de cada compuesto. viii