Evaluación y tratamiento de contaminantes emergentes (fármacos acidos) en aguas residuales mediante un reactor SBRLF acoplado a fotocatálisis

RESUMEN Durante las últimas décadas la incidencia de los contaminantes emergentes (CE) en el medio ambiente acuático se ha convertido en un problema mundial de creciente preocupación ambiental. Algunos CE como lo son los productos farmacéuticos, se han encontrado en aguas superficiales, subterráneas, residuales tratadas y sin tratar, en concentraciones que van desde ngL-1 a gL-1, por lo que se surgen desafíos a vencer en los procesos de tratamiento de agua potable, reciclable y residual. En el presente trabajo se evaluó el desempeño de cuatro alternativas de tratamiento para la degradación de cinco analgésicos anti-inflamatorios: diclofenaco (DCL), fenoprofen (FNP), ibuprofen (IBF), indometacina (IND) y naproxen (NPX) y dos reguladores de lípidos: ácido clofíbrico (ACL) y gemfibrozil (GFB). Las alternativas de tratamiento fueron: 1) acoplamiento de un reactor biológico discontinuo secuenciado de lecho fijo aerobio (SBRLF1) a fotólisis UV/H2O2, 2) acoplamiento de un reactor biológico discontinuo secuenciado de lecho fijo aerobio-microaerobio (SBRLF2) a fotocatálisis heterogénea empleando matrices de nanotubos de TiO2 y radiación UV; a escala piloto: 3) fotocatálisis en un Reactor Ambient Care/UV-C que incorpora el fotocatalizador de TiO2 en su estructura y 4) fotólisis en el reactor UBE/UV-C. En el reactor SBRLF1 se evaluó el efecto de la concentración de la mezcla de fármacos, sobre su eficiencia de remoción en el reactor. Las eficiencias de remoción en el reactor fueron del 100% a las diferentes concentraciones estudiadas (2, 5 y 7.5 mgL-1) para el NPX, FNP, IBF y GFB. El ACL, DCL e IND mostraron un comportamiento recalcitrante. Se observó que el tiempo de degradación fue dependiente de la concentración y de la estructura química del fármaco. Se emplearon modelos cinéticos de orden cero y primer orden para describir la remoción de los fármacos en el reactor. Después del acoplamiento del reactor SBRLF1 a fotólisis se lograron eficiencias de remoción del 100% para todos los fármacos. En el reactor SBRLF2 se lograron remociones globales del 39 % para la IND y 50% para el ACL y DCL. En el proceso de fotocatálisis se realizaron experimentos para establecer las mejores condiciones de degradación, de los factores evaluados: pH, radiación UV y área de NT-TiO2, se mostró que la radiación UV y el área de los NT-TiO2 fueron los factores que influyeron de manera determinante en la degradación de los fármacos. Con el acoplamiento del reactor SBRLF2-fotocatálisis se alcanzaron eficiencias de remoción arriba del 90% para ACL, DCL e IND a una concentración 2 mgL-1. Adicionalmente la degradación biológica de los siete fármacos estudiados, se evaluó en experimentos batch, en un reactor aerobio con biomasa suspendida. Se utilizó el modelo cinético de pseudo primer orden, para para determinar la constante cinética de biodegradación (Kbiol). De acuerdo a los valores de kbiol obtenidos, el NPX e IBF pueden clasificarse como compuestos altamente biodegradables, mientras que el FNP y GFB se consideran moderadamente biodegradables y el ACL, DCL e IND corresponden a la categoría de recalcitrantes, esto es, de no ser susceptibles a la degradación biológica. A escala piloto se estudió la degradación del NPX, IND, IBF y GFB, teniendo como variable dependiente la concentración de H2O2 (0 mM y 2 mM) y pH (4,7 y 9) en ambos procesos. En ambos procesos se lograron mayores eficiencias de remoción (arriba del 90%) con la adición H2O2 y pH 7. Las cinéticas de reacción para describir la degradación de los fármacos, se ajustaron al modelo de primer orden. Los valores de las constantes de velocidad K mostraron la siguiente tendencia en las tasas de degradación: fotocatálisis IBF > IND > NPX > GFB y para fotólisis IND > NPX > IBF > GFB. La prueba de t-Student de Comparación Pareada el análisis mostró diferencias significativa entre los dos procesos, lo que confirma, que con el proceso de fotocatálisis las velocidades de reacción son más altas.

ABSTRACT During the last decades, the incidence of micropollutants in the aquatic environment has become a global problem of growing environmental concern. Some micropullutants, such as pharmaceuticals, have been found in surface, underground, treated and untreated wastewater, in concentrations ranging from ngL-1 to gL-1, so that challenges to overcome in the processes of treatment of potable, recyclable and wastewater. In the present work we evaluated the performance of four treatment alternatives for the degradation of five anti-inflammatory analgesics: diclofenac (DCL), fenoprofen (FNP), ibuprofen (IBF), indomethacin (IND) and naproxen (NPX) and two lipids regulators: clofibric acid (ACL) and gemfibrozil (GFB). The treatment alternatives were: 1) coupling of an aerobic fixed sequential batch biological reactor (SBRLF1) to UV/H2O2 photolysis, 2) coupling of an aerobic-microaerobic fixed sequenced batch biological reactor (SBRLF2) to heterogeneous photocatalysis using nanotube arrays of TiO2 and UV radiation; at pilot scale: 3) photocatalysis in an Ambient Care/UV-C reactor that incorporates the photocatalyst of TiO2 in its structure and 4) photolysis in the UBE/UV-C reactor. In the SBRLF1 reactor, the effect of the concentration of the pharmaceuticals mixture on its removal efficiency in the reactor was evaluated. The removal efficiencies in the reactor were 100% at the different concentrations studied (2, 5 and 7.5 mgL-1) for the NPX, FNP, IBF and GFB. The ACL, DCL and IND showed a recalcitrant behavior. It was observed that the degradation time was dependent on the concentration and the chemical structure of the pharmaceuticals. Kinetic models of zero order and first order were used to describe the removal of pharmaceuticals in the reactor. After coupling the SBRLF1 reactor to photolysis, 100% removal efficiencies were achieved for all pharmaceuticals. In the SBRLF2 reactor, global removals of 39% for the IND and 50% for the ACL and DCL were achieved. In the process of photocatalysis, experiments were carried out to establish the best degradation conditions, of the evaluated factors: pH, UV radiation and NT-TiO2 area, it was shown that UV radiation and the area of NT-TiO2 were the factors that had a decisive influence on the degradation of pharmaceuticals. With the coupling of the SBRLF2-photocatalysis reactor, removal efficiencies of up to 90% were achieved for ACL, DCL and IND at a concentration of 2 mgL-1. Additionally, the biological degradation of the seven pharmaceuticals studied was evaluated in batch experiments, in an aerobic reactor with suspended biomass. The kinetic model of pseudo first order was used to determine the kinetic constant of biodegradation (Kbiol). According to the kbiol values obtained, the NPX and IBF can be classified as highly biodegradable compounds, while the FNP and GFB are considered moderately biodegradable and the ACL, DCL and IND correspond to the category of not being susceptible to biological degradation (recalcitrant).At the pilot scale, the degradation of NPX, IND, IBF and GFB was studied, with the concentration of H2O2 (0 mM and 2 mM) and pH (4.7 and 9) in both processes. In both processes greater removal efficiencies were achieved (above 90%) with the addition of H2O2 and pH 7. The reaction kinetics to describe drug degradation were adjusted to the first-order model. The values of the reaction constants K showed the following tendency in the degradation rates: photocatalysis IBF> IND> NPX> GFB and for photolysis IND> NPX> IBF (0.013 h-1)> GFB. The t-Student test of Paired Comparison analysis showed significant differences between the two processes, which confirms that, with the photocatalysis process the reaction rates are higher.