Eliminación de compuestos farmacéuticos del agua mediante ozonación fotocatalítica

Resumen

El trabajo que se presenta forma parte de una de la línea de investigación que desarrolla el grupo de Tratamiento de Aguas del Departamento de Ingeniería Química y Química Física de la Universidad de Extremadura acerca de la aplicación de procesos avanzados de oxidación (PAOs) para la eliminación de contaminantes emergentes. Concretamente, esta Tesis Doctoral se enmarca dentro de los Proyectos CTQ2006/04745 y CTQ2009/13459-C05-05, financiados por el Ministerio de Ciencia e Innovación y los Fondos Europeos de Desarrollo Regional, que llevan por títulos, respectivamente, "Utilización de carbón activo y fotocatálisis en procesos de ozonización para la eliminación de contaminantes del agua disruptores del sistema endocrino" e "Integración de procesos de fotocatálisis solar en la depuración biológica de aguas residuales para la eliminación de contaminantes emergentes". El interés de esta investigación radica en la búsqueda de soluciones a la problemática relacionada con la conservación de recursos hídricos que existe actualmente, consecuencia de la presencia de ciertos contaminantes denominados "emergentes", que han sido identificados en aguas superficiales, potables y residuales de todo el mundo gracias al desarrollo de métodos de análisis con límites de detección más bajos. Este tipo de compuestos comportan un interés científico indudable debido al enorme riesgo potencial y/o actual que suponen, no solo para el ser humano, sino en general para todos los seres vivos. Por ello, su estudio se sitúa entre las líneas de investigación prioritarias de los principales organismos dedicados a la protección de la salud pública y medioambiental, tales como la Organización Mundial de la Salud (OMS), la Agencia de Estados Unidos para la Protección del Medio Ambiente (US EPA) o la Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA). De los contaminantes emergentes, los compuestos farmacéuticos son los que probablemente han suscitado mayor preocupación y estudio en los últimos años. El consumo de los mismos en la Unión Europea se cifra en toneladas, pudiendo distinguirse alrededor de 4000 fármacos diferentes. Fuera del ámbito terapéutico, este tipo de compuestos pueden producir distintas alteraciones en los seres vivos y el medio ambiente. De hecho, algunos de estos contaminantes presentan actividad como disruptores endocrinos, implicando con ello que una exposición indebida a los mismos puede dar lugar a alteraciones en el crecimiento, desarrollo, reproducción y/o comportamiento de los organismos vivos. Este tipo de contaminantes, bien por una deficiente gestión como residuo sólido, bien porque son excretados en su forma original o como metabolitos tras su administración terapéutica, llegan a las estaciones depuradoras y finalmente, si no son eliminados en ellas, al medio ambiente. Esta tendencia contaminante es difícil de revertir, ya que los procesos convencionales de las plantas de tratamiento alcanzan niveles mínimos de eliminación. Se plantea, por tanto, la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías que permitan solventar el problema, aplicando métodos más severos en los procesos de depuración implementados en las estaciones de tratamiento de aguas potables y depuradoras de aguas residuales. En este sentido, los procesos avanzados de oxidación en general y la ozonación fotocatalítica en particular se plantean como opciones prometedoras, no sólo para eliminación de compuestos farmacéuticos, sino también para la degradación de compuestos intermedios y subproductos, los cuales, en algunos casos, han resultado ser incluso más perjudiciales que el propio fármaco. Así, con la ozonación fotocatalítica se pretende alcanzar elevados porcentajes de mineralización, aprovechando el efecto sinérgico de la fotocatálisis y la ozonación. El objetivo general del presente trabajo de investigación ha consistido en el estudio de la ozonación fotocatalítica de una serie de compuestos farmacéuticos. Concretamente, se eligieron diclofenaco (DCF), sulfametoxazol (SMT) y cafeína (CFF) en base a criterios tales como frecuencia con la que se han detectado en estudios de monitorización en aguas residuales, superficiales y potables, cantidad consumida por la población y tras haber constatado, en todo caso, que no aparecían en la bibliografía como compuestos objeto de estudios en los cuales se aplicaran los sistemas de oxidación seleccionados y objetivos planteados en el presente trabajo. De forma específica, se ha llevado a cabo la comparación de diferentes sistemas de oxidación, tales como, O3, UVA, O3/UVA, O3/TiO2, O2/UVA/TiO2, O3/UVA/TiO2, para comprobar cuál de ellos resulta el más eficaz en términos de eliminación de compuesto farmacéutico, carbono orgánico total (COT), ecotoxidad, etc., concluyéndose que para las condiciones de operación utilizadas el proceso de ozonación fotocatalítica resultó ser el más favorable. Por ello, las siguientes tareas estuvieron enfocadas en la determinación de las condiciones óptimas de aplicación de este sistema de oxidación, valorando la influencia de variables tales como concentración inicial de ozono, concentración de TiO2, concentración inicial de compuesto farmacéutico y caudal de gas alimentado al reactor. Además, se estableció el posible mecanismo de desaparición de SMT y DCF, así como la importancia de las etapas englobadas dentro de la ozonación fotocatalítica. Finalmente, se realizaron estudios del comportamiento de los diferentes sistemas de oxidación seleccionados aplicados a una mezcla de compuestos farmacéuticos (SMT, DCF y CFF) en agua residual urbana procedente del efluente del tratamiento secundario de la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) ubicada en Badajoz (Extremadura).