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Procesos fotoquímicos de oxidación para el tratamiento de sulfametoxazol en solución acuosa: integración con un reactor biológico SBBR

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Universitat de Barcelona. Departament d'Enginyeria Química

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[spa] Durante los últimos años, la escasez y la calidad del agua se han convertido en una de las mayores preocupaciones a nivel mundial. Cada día se contaminan grandes cantidades de agua, especialmente en los países desarrollados, ya sea por su uso doméstico o por su uso en actividades industriales. Restablecer la calidad de estas aguas residuales es una tarea esencial para evitar continuar contribuyendo a la contaminación del Medio Ambiente (MA)  así como para posibilitar su reutilización, disminuyendo, de esta manera, el consumo de agua potable. Actualmente una gran preocupación rodea a los contaminantes emergentes (p.ej. hormonas y otros disruptores endocrinos, tensioactivos, compuestos perfluorados, productos farmacéuticos y de cuidado personal, etc.).  Muchos de ellos no están, a día de hoy, regulados por las legislaciones sobre calidad de aguas, pero podrían estarlo en el futuro en función de las investigaciones acerca de su toxicidad y efectos potenciales sobre el MA y la salud humana. 
Los fármacos de uso humano y veterinario se liberan al MA continuamente. Estos compuestos están diseñados para producir una actividad biológica en los seres humanos o animales. Como resultado, podrían existir efectos secundarios por determinar, pudiendo afectar incluso a los seres humanos. Ejemplos de sus impactos medioambientales adversos incluirían toxicidad aguda, desarrollo de cepas bacterianas resistentes, genotoxicidad y disrupción endocrina.
Entre los productos farmacéuticos, los que probablemente suscitan mayor preocupación en la actualidad, son los antibióticos. Existe el temor de que, como consecuencia de su uso extensivo, se desarrollen cepas bacterianas resistentes que hagan que los antibióticos que normalmente se usan en medicina humana, dejen de ser efectivos para el fin con el que fueron diseñados. Entre los antibióticos, se ha escogido el Sulfametoxazol (SMX) como compuesto modelo para la realización de esta tesis principalmente por dos motivos: i) no ser biodegradable y ii) ser el representante más conocido de uno de los grupos más ampliamente utilizados de antibióticos, las sulfonamidas. El SMX tiende a permanecer en la fase líquida y no se degrada en los tratamientos biológicos convencionales de las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDARs). Por estos motivos, permanece durante largos periodos de tiempo en el MA. 
Una vía importante a través de la cual el SMX alcanza el MA son los efluentes de las empresas de química fina farmacéutica. Su tratamiento en origen de manera efectiva y el de otros fármacos problemáticos de características similares, evitando su dilución y dispersión, podría ser una solución apropiada para mitigar sus efectos adversos sobre el MA. Los tratamientos que se llevan a cabo actualmente en las empresas de química fina no parecen garantizar una calidad adecuada de los efluentes de salida desde el punto de vista medioambiental. El objetivo del presente trabajo es proponer una tecnología de tratamiento alternativa y fiable para las aguas residuales generadas en una empresa productora de principios activos farmacéuticos, que garantice una calidad adecuada de éstas en función de la reutilización o destino que se les quiera dar. Los experimentos han sido realizados con un agua residual sintética conteniendo el antibiótico SMX (200 mg L-1). La tecnología propuesta consiste en la combinación de un Proceso de Oxidación Avanzada (POA) con un posterior tratamiento biológico en un Reactor Secuencial Discontinuo de Biofilm (SBBR). La estrategia pretende tanto destruir el compuesto farmacéutico como reducir al máximo las cantidades de carbono y  nitrógeno presentes en la solución inicial de SMX.
Una comparativa realizada entre diferentes técnicas de oxidación química llevadas a cabo con diferentes fuentes de radiación (fotólisis, foto-Fenton y UV/H2O2) ha permitido seleccionar al POA foto-Fenton como el más apropiado para eliminar la materia orgánica presente en la solución inicial estudiada. La duración reducida de los experimentos y la buena reproducibilidad de estos a escala planta piloto con luz solar, animan al uso de esta fuente de radiación para llevar a cabo la reacción.
Se ha realizado el estudio del efecto de diferentes dosis iniciales de H2O2 sobre las características finales de los efluentes obtenidos mediante la reacción foto-Fenton, desde el punto de vista químico y también biológico. Para dicho estudio se ha fijado la concentración inicial de Fe2+ en 10 mg L-1 y la temperatura en 25ºC. El POA permite tanto eliminar con éxito el antibiótico en solución como mejorar la biocompatibilidad de la solución inicial. Para valorar esta mejora, se han realizado pruebas de inhibición, toxicidad y biodegradabilidad. A su vez, se ha propuesto un bioensayo llevado a cabo en reactores discontinuos aerobios de biomasa suspendida, con la intención de obtener información adicional que permita escoger más adecuadamente las condiciones de operación del pretratamiento teniendo en cuenta la posterior integración con el tratamiento biológico. Los tests confirman que un pretratamiento con 300 o 400 mg L-1 de peróxido permitiría obtener efluentes que garantizasen una eliminación global del carbono en solución de un 75% o superior al efectuar la integración con el tratamiento biológico.
Las características de los SBBRs los sitúan como unos reactores muy apropiados para el tratamiento de efluentes tan complicados como los que se generan en el sector de la química fina farmacéutica. Por esta razón se ha evaluado la combinación de los dos efluentes de foto-Fenton seleccionados (300 y 400 mg L-1 iniciales de H2O2) con un reactor biológico de estas características. Los datos experimentales revelan que una reacción de pretratamiento llevada a cabo con 300 mg L-1 de H2O2 combinada con 8 horas de tratamiento biológico en el SBBR, permite la eliminación de un 76% del Carbono Orgánico Total (COT) presente en la solución inicial de antibiótico. Por otra parte, la introducción de una etapa anóxica permite la desnitrificación de todo los NO3- generados durante el tratamiento químico-biológico. Es necesario aumentar la dosis de peróxido en el pretratamiento hasta alcanzar una concentración inicial de 400 mg L-1 para conseguir prácticamente la eliminación total del carbono y nitrógeno orgánicos presentes en la molécula original de antibiótico.
El buen rendimiento del proceso foto-Fenton y del SBBR permite presentar la combinación ensayada como una tecnología eficaz para el tratamiento de aguas contaminadas con compuestos farmacéuticos problemáticos como es el caso del antibiótico SMX.

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Tesis Doctorals - Departament - Enginyeria Química

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Procesos fotoquímicos de oxidación para el tratamiento de sulfametoxazol en solución acuosa: integración con un reactor biológico SBBR