Integración de procesos biológicos y CWPO asistidos con catalizadores magnéticos para la eliminación eficiente de compuestos farmacéuticos presentes en aguas residuales

Resumen

El presente trabajo se enmarca en la línea de investigación que se viene desarrollando en el grupo de investigación de Catálisis y Procesos de Separación (CyPS) del Departamento de Ingeniería Química y Materiales de la Universidad Complutense de Madrid, enfocada en el tratamiento de aguas residuales de carácter urbano e industrial. En concreto, en esta Tesis Doctoral se ha participado en diversos proyectos, como Red madrileña de tratamientos para la reutilización de aguas residuales y valorización de fangos, S2018.EMT-4341, y PLASTIC TO FUEL-MAT - Upcycling Waste Plastics into Fuel and Carbon Nanomaterials, POCI-01-0145-FEDER-031439. En este contexto, se ha propuesto el estudio de degradación de varios contaminantes emergentes, en concreto fármacos, mediante el proceso de oxidación húmeda catalítica promovida por peróxido de hidrogeno, CWPO, con un catalizador magnético y la integración del proceso de lodos activados y el proceso de oxidación. En la primera parte del trabajo, se abordó la síntesis de un catalizador magnético. Mientras se sintetizaba magnetita mediante la combinación de un método de coprecipitación y tratamiento hidrotérmico, esta se soportaba sobre los nanotubos de carbono de pared múltiple. La eliminación de naproxeno, diclofenaco y su mezcla en agua se llevó a cabo mediante CWPO en modo discontinuo. La optimización de los parámetros de operación, dosis de catalizador, temperatura, pH dosis de peróxido de hidrógeno y concentración inicial de contaminante, permitió la obtención de tasas de degradación máximas, superiores al 82 por ciento para los compuestos por separado y del 19 y 54 por ciento para el naproxeno y diclofenaco en la mezcla, respectivamente, en menos de 3 horas de reacción. Asimismo, se determinaron los intermedios de reacción generados durante el transcurso de la reacción, proponiendo posibles rutas de degradación de estos fármacos. El modelo pseudo-segundo orden fue el que describió mejor la degradación del naproxeno y diclofenaco. Además, los ensayos de CWPO de diferentes matrices acuosas reales, de origen hospitalario, superficial, y efluente de una estación depuradora de aguas residuales, fortificadas con naproxeno o diclofenaco o su mezcla, permitieron obtener una significativa reducción de la toxicidad en los efluentes. La eliminación de naproxeno, diclofenaco e ibuprofeno mediante CWPO con un catalizador magnético se llevó a cabo en modo continuo. La optimización de los parámetros de operación, masa de catalizador, dosis de peróxido de hidrógeno, caudal volumétrico; demandas teóricas de oxígeno para el ibuprofeno y el diclofenaco, pH, permitió la obtención de tasas de degradación altas de estos contaminantes, 82 por ciento para el naproxeno y en la mezcla superior al 93 y 72 por ciento para el diclofenaco y el ibuprofeno, respectivamente, en menos de 3 horas de reacción. Se propuso varias vías de degradación acorde a los intermedios de reacción determinados. Finalmente, los ensayos de CWPO de diferentes matrices acuosas reales, fortificadas con naproxeno o la mezcla acuosa, permitieron obtener una significativa mineralización del carbono orgánico total, COT, en las matrices acuosas. En la integración del proceso biológico y de oxidación, se realizaron ensayos de tratamiento biológico de lodos activados, TBA, y CWPO donde las eficiencias globales obtenidas más elevadas, 98 por ciento de COT, 86 por ciento de nitrógeno total, 81 por ciento de compuestos fenólicos, fueron con las siguientes condiciones iniciales del TBA, 2888,5 mg/L de COT y 1000 mg/L de sólidos suspendidos volátiles; y para el proceso CWPO empleando 0,4 g de catalizador, 0,34 mL/min, 20 mM de H2O2, pH de 4,5 y 40 °C. La ecuación de Contois describió bien la cinética de degradación de COT, donde se contemplaba la inhibición por sustrato y biomasa. Finalmente, la integración del proceso biológico y químico es efectiva para la completa eliminación de toxicidad de las aguas residuales de origen farmacéutico.