Inactivación de microorganismos presentes en aguas mediante foto-fenton solar a pH neutro
- Autores: Elisabet Ortega Gómez
- Directores de la Tesis: José Antonio Sánchez Pérez (dir. tes.), María de la Menta Ballesteros (codir. tes.), Antonia Pilar Fernández Ibañez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ana María Amat Payá (presid.), José Luis Casas López (secret.), Isabel Oller (voc.), John Anthony Byrne (voc.), M. Peña Ormad Melero (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
La escasez de agua dulce en el planeta, principalmente debida a la sequía y a la contaminación de sus fuentes, supone uno de los principales problemas medioambientales que afectan actualmente a la población humana. En las últimas décadas, la fuerte demanda de agua con calidad adecuada para su utilización en diversas actividades, ha obligado a buscar soluciones alternativas que implican grandes esfuerzos a nivel científico, político, económico y social. En particular, la reutilización del agua residual depurada, tras un tratamiento adecuado, surge recientemente como fuente de abastecimiento para sectores en los que se consumen grandes cantidades agua, como es la agricultura, que produce el 60% de la alimentación mundial según la Organización de Naciones Unidas para la Alimentación y Agricultura (FAO). Sin embargo, para poder evolucionar en este sentido es necesario desarrollar tratamientos que permitan asegurar la calidad microbiológica del agua reutilizada conforme a la legislación vigente y solventar los problemas o desventajas que presentan los tratamientos utilizados actualmente.
Entre las nuevas tecnologías disponibles para la regeneración de aguas residuales cabe destacar, por su elevada eficiencia, los procesos de oxidación avanzada (PPOA). Asimismo, son especialmente interesantes aquellos que son capaces de emplear la luz solar como fuente de radiación, destacando el proceso fotocatalítico homogéneo, foto-Fenton solar. De modo general, durante las reacciones de Fenton, un oxidante (H2O2) reacciona con un catalizador (Fe2+) y genera radicales hidroxilo, especie altamente oxidante y no selectiva que causa la inactivación de diferentes microorganismos. La presencia de fotones UV-A en la luz solar conduce a la regeneración del catalizador y a la producción de más radicales hidroxilo.
Uno de los principales objetivos de este trabajo de investigación ha sido mejorar el conocimiento sobre el proceso de inactivación de microorganismos mediante foto-Fenton solar a pH neutro, escasamente estudiado, para su aplicación como tratamiento terciario en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Con este fin, se ha utilizado como indicador de contaminación fecal la bacteria Enterococcus faecalis (microorganismo Gram-positivo) puesto que ha sido poco estudiada hasta el momento y podría ser mejor indicador que Escherichia coli por su mayor resistencia a los tratamientos desinfectantes. Esta bacteria se ha empleado como microorganismo modelo para estudiar en detalle el efecto de variables como la temperatura, la intensidad de radiación y la composición de la matriz acuosa. Asimismo, se ha comprobado la eficiencia del proceso foto-Fenton solar a pH neutro en condiciones reales de aplicación, utilizando microorganismos propios del agua residual de una EDAR en lugar de microorganismos de colección. También se ha investigado la eficiencia del tratamiento foto-Fenton en otros indicadores de contaminación fecal como los virus, en los que este proceso había sido evaluado escasamente.
Los estudios del efecto de la temperatura y la irradiancia en la inactivación bacteriana mediante el proceso foto-Fenton se han llevado a cabo manteniendo constantes el resto de variables que afectan a la eficiencia del proceso fotocatalítico, a fin de eliminar posibles interferencias. Los resultados experimentales alcanzados han permitido obtener para cada caso un modelo cinético de primer orden que permite predecir la velocidad de inactivación bacteriana. Además, se ha realizado un estudio exhaustivo para determinar si la irradiancia o la energía acumulada son adecuadas para la estandarización y automatización de tratamientos de desinfección solares.
Otro de los principales parámetros que afecta al proceso de desinfección mediante foto-Fenton solar es la composición de la matriz acuosa. A este respecto, en primer lugar se ha estudiado la interacción entre los procesos simultáneos de desinfección de microorganismos y degradación de la materia orgánica evaluando la posible competencia por las principales especies oxidantes generadas durante el proceso foto-Fenton. Con este estudio se comprobó que existe un efecto competitivo, que tiene una marcada influencia en los resultados de desinfección siendo determinantes las concentraciones de reactivos empleadas. Como indicador de contaminación fecal se ha utilizado E. faecalis y como modelo de materia orgánica, resorcinol. En segundo lugar, con las concentraciones de reactivos que proporcionaron mejores resultados en el estudio anterior, se ha evaluado el efecto de diferentes matrices acuosas en la inactivación de E. faecalis: i) una disolución salina de NaCl al 0.9%, ii) agua destilada con resorcinol como modelo de materia orgánica y iii) un agua que simula el efluente del secundario de una estación depuradora de aguas residuales (ESEDAR). Estos ensayos se han llevado a cabo en fotorreactores tipo CPC, con un volumen de trabajo de 7L, para poder obtener resultados extrapolables a los esperados en planta a mayor escala. Con los resultados obtenidos, se ha podido demostrar que el aumento en la complejidad de la composición de la materia orgánica mejora la cinética de desinfección, reduciendo el tiempo de tratamiento necesario para alcanzar el límite de detección. Esta característica hace del proceso foto-Fenton una opción interesante para su aplicación como tratamiento terciario en una EDAR, donde la complejidad de la matriz acuosa es elevada. Finalmente, en los mismos fotorreactores se ha realizado un estudio detallado de la inactivación mediante foto-Fenton solar a pH neutro de microorganismos propios de un efluente del tratamiento secundario de una EDAR urbana (¿El Bobar¿, Almería). Se ensayaron diferentes estrategias de operación y se demostró que se alcanza el límite de detección en tiempos cortos de tratamiento. Además, se evaluó la eficiencia de este proceso frente a variaciones estacionales de la contaminación, y se demostró que el agua tratada cumple con los parámetros microbiológicos de calidad del agua regenerada acorde a la legislación española para su posterior reutilización como agua de riego en agricultura.
Finalmente, se ha llevado a cabo el estudio de los mecanismos involucrados en la inactivación mediante foto-Fenton solar de otros indicadores importantes de contaminación fecal como son los virus. Para ello, se realizó un estudio exhaustivo de los procesos involucrados en la inactivación del colifago MS2 mediante el tratamiento foto-Fenton (UV/Fe, UV/H2O2, H2O2/Fe y UV/H2O2/Fe) y se evaluó la influencia de las principales variables del proceso foto-Fenton, como el estado de oxidación del Fe empleado (Fe2+ o Fe3+), pH, concentración de Fe y H2O2 e intensidad de radiación UV. Se demostró que el proceso foto-Fenton también es eficiente para alcanzar límites de detección bajos con este tipo de microorganismos. Además, se verificó su eficiencia en agua natural del lago Leman (Suiza) y en la inactivación de un virus humano como Echovirus.
Los resultados obtenidos en esta investigación ponen de manifiesto que mediante el proceso foto-Fenton solar a pH neutro, se alcanza la inactivación de microorganismos presentes en aguas residuales depuradas hasta los niveles de carga biológica admitidos por la legislación, cumpliendo las especificaciones de calidad establecidas en materia de reutilización de aguas regeneradas. Además, los tiempos cortos de tratamiento, junto con el uso de luz solar como fuente de radiación, una baja cantidad de reactivos y la ausencia de subproductos tóxicos, hacen del proceso foto-Fenton una alternativa muy prometedora frente a los tratamientos terciarios actualmente implantados en las EDAR urbanas con el fin de regenerar aguas depuradas para su posterior uso en agricultura.
