Modelado cinético del proceso foto-Fenton solar para la eliminación de microcontaminantes presentes en efluentes de depuradora con reactores de bajo coste
- Autores: Paula Soriano Molina
- Directores de la Tesis: José Antonio Sánchez Pérez (dir. tes.), Sixto Malato Rodríguez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Gilles Maihot (presid.), Isabel Oller (secret.), María José López Muñoz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biotecnología y Bioprocesos Industriales Aplicados a la Agroalimentación y Medioambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
La reutilización de los efluentes en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) es una alternativa a las fuentes convencionales de agua cada vez más extendida y necesaria en las zonas del mundo con escasez de agua. Las EDAR convencionales no están diseñadas para eliminar ciertos compuestos biorecalcitrantes. Aunque estos compuestos se encuentran en concentraciones muy bajas, del orden de μg L-1 – ng L-1 (y, por lo tanto, son llamados microcontaminantes) su acumulación en los ecosistemas puede causar efectos negativos en los cultivos, en los organismos acuáticos y, por consiguiente, en la salud humana. Por ello, el interés por la investigación y desarrollo de tratamientos terciarios para eliminar estos contaminantes es cada vez mayor. En este sentido, el proceso foto-Fenton solar destaca por ser uno de los procesos de oxidación avanzados más eficientes y ambientalmente sostenibles. Sin embargo, aún se necesita más investigación para reducir los costes de operación así como escalar el proceso.
Este trabajo de tesis doctoral se enfoca en el desarrollo de modelos mecanísticos de eliminación de microcontaminantes mediante el proceso foto-Fenton que permitan el diseño y la optimización de la operación de los reactores de bajo coste tipo ``raceway´´ como tratamiento terciario en las EDAR urbanas.
En primer lugar, se desarrolló un modelo del proceso al pH óptimo de reacción (pH 2.8) para la eliminación de microcontaminantes en efluentes secundarios. Para ello se estudió el efecto de la temperatura, así como de la absorción de fotones en la cinética del proceso. Los ensayos se realizaron a escala de laboratorio en un efluente secundario sintético utilizando el plaguicida acetamiprid como contaminante modelo con 0.1 mM Fe2+ y 1.47 mM H2O2. Respecto al efecto de la absorción de fotones, la velocidad de degradación del acetamiprid aumentó con la velocidad volumétrica de absorción de fotones, a valores inferiores a 866 μE m-3 s-1. Sin embargo, a valores superiores el aumento de la velocidad de absorción de fotones no aceleró la cinética del proceso, es decir, el proceso estaba fotosaturado. Para explicar este fenómeno se propuso la formación de un estado activado del hierro. El modelo fue exitosamente validado en externo en reactores tipo ``raceway´´ con 5 y 15 cm de profundidad de líquido. Además, se demostró su aplicabilidad ante variaciones en la concentración de catalizador.
La operación del proceso foto-Fenton a pH ácido presenta ciertas desventajas económicas y ambientales que dificultan su viabilidad para ser implantado en las EDAR. Esto ha llevado a los investigadores a estudiar otras alternativas tales como la operación a pH neutro mediante el uso de complejos de hierro tales como el Fe3+-EDDS. Con este objetivo, se llevó a cabo un estudio fenomenológico del proceso a pH neutro con 0.1 mM Fe3+ a una relación Fe3+: EDDS 1: 1 y 0.88 mM H2O2. Los resultados mostraron un aumento lineal de la velocidad de eliminación de microcontaminantes y de consumo de reactivos con la velocidad volumétrica inicial de absorción de fotones, hasta valores de 1547 μE m-3 s-1 (reacción de primer orden con respecto a la velocidad volumétrica de absorción de fotones). A valores superiores de velocidad de absorción de fotones, las velocidades de reacción se mantuvieron constantes (cinética de orden cero), indicando que el proceso estaba fotosaturado. El hecho de que el proceso se fotosature a valores de velocidad volumétrica de absorción de fotones más altos que a pH ácido se debe a la mayor absortividad del Fe3+-EDDS en comparación con el Fe3+. Finalmente, se evaluó el efecto de la longitud de paso óptico en la capacidad de tratamiento, y se observó que, incluso en condiciones de fotolimitación, la capacidad de tratamiento aumenta al incrementar la profundidad de líquido.
Como paso previo al escalado del proceso, es necesario evaluar su eficiencia cuando las condiciones óptimas de operación, obtenidas a partir de los ensayos en efluentes sintéticos, se aplican a efluentes reales de composición muy variable. Con este fin, se estudió la eliminación de microcontaminantes en efluentes procedentes de cinco EDAR localizadas en la zona mediterránea de España. Independientemente del origen y la composición, se eliminó más del 80% de la carga total de microcontaminantes en menos de 15 min de reacción, observándose un efecto importante de la composición del efluente en la cinética del proceso.
Una vez concluido este estudio, se abordó por primera vez la modelización del proceso a pH neutro con el complejo Fe3+-EDDS, durante una estancia en el grupo de Investigación del profesor Orlando Alfano en Santa Fe (Argentina). Para ello, se llevó a cabo un estudio detallado del acoplamiento de la modelización de la cinética fotoquímica con el campo de radiación en los reactores tipo ``raceway´´, teniendo en cuenta las dos componentes de la radiación UV-Vis: la directa que proviene directamente del sol, y la difusa, que proviene de la atmósfera por dispersión de parte de la radiación solar en ella. El modelo desarrollado a partir de los datos obtenidos a escala de laboratorio, se validó con éxito en externo en un reactor tipo ``raceway´´ de 5 cm de profundidad en condiciones de invierno y verano. Posteriormente, se estudió su aplicación para el escalado y control de la operación dichos reactores, siguiendo la cinética de la eliminación de los tres contaminantes más abundantes detectados en los efluentes reales de EDAR previamente estudiados. Para ello, se validó la capacidad del modelo para predecir la operación de estos reactores en modo flujo continuo y se simuló el efecto de la profundidad y el tiempo de residencia hidráulico en la capacidad unitaria de tratamiento. Los resultados son prometedores para el escalado de los reactores tipo ``raceway´´, puesto que mostraron que podrían ser operados con mayores profundidades de líquido, incrementando por lo tanto la capacidad de tratamiento.
