Regeneración de aguas mediante foto-Fenton solar, una tecnología en desarrollo



02/02/2021
Archivado en: Agua , Nº 226 Septiembre/Octubre 2020

La escasez de agua debida a la creciente presión sobre los recursos hídricos y la contaminación hacen necesaria la regeneración de aguas residuales, proponiéndose el proceso foto-Fenton solar operado en reactores de bajo coste como un tratamiento ambientalmente sostenible.

 

Son muchos los medios de comunicación que diariamente están revelando nuevos efectos perjudiciales del cambio climático en nuestro entorno, especialmente en el agua (sequías, inundaciones o tormentas). Cuando ocurren estos desastres, las vidas de millones de personas están en riesgo. Además, el desarrollo de un país conlleva un aumento de la actividad económica que, en sectores diversos como la agricultura, la industria, el turismo o los servicios, generan una mayor necesidad de los recursos hídricos, lo que conduce a una considerable escasez de agua, particularmente en los períodos de sequía. Por ello, en las últimas décadas ha crecido el interés de la sociedad por al aprovechamiento y reutilización del agua, en concreto el agua residual procedente de las depuradoras, ya sean urbanas o industriales. La convicción de que estas aguas deben ser aprovechadas, junto con la creciente escasez y los problemas medioambientales, generan un escenario objetivo donde evaluar la importancia de su reutilización. 

Si bien las posibilidades de reutilización de las aguas residuales tratadas son numerosas, sin duda la reutilización con fines agrícolas es la práctica más extendida. En este sentido, la normativa tiende a ser más restrictiva en función del uso previsto del agua, como se expone en el Real Decreto 1620/2007, de 7 de diciembre, por el que se establece el régimen jurídico de la reutilización de las aguas depuradas en España. A nivel europeo, recientemente se ha aprobado el Reglamento (UE) 2020/741 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 25 de mayo de 2020, que será aplicable a partir de junio de 2023 y cuya finalidad es facilitar la implantación de la reutilización agua. Dentro de los parámetros que se proponen para el control de la calidad del agua tratada, encontramos Escherichia coli (E. coli) como indicador microbiológico.

Las normas que regulan la depuración de dichas aguas normalmente se basan en la eliminación de materia orgánica, de sólidos en suspensión y microorganismos patógenos. Sin embargo, en los últimos años, la preocupación por la presencia de compuestos orgánicos persistentes en los efluentes secundarios, conocidos como contaminantes emergentes, ha crecido considerablemente. A pesar de que son detectados en concentraciones muy bajas, del orden de µg/L a ng/L, son potencialmente nocivos para la salud y el medioambiente, ya que son bioacumulativos y no pueden ser eliminados con los tratamientos convencionales aplicados en las estaciones de depuración de aguas residuales convencionales (EDAR).  Entre estos compuestos, hay un creciente interés por los antibióticos, ya que su acumulación en los medios naturales está causando la proliferación de bacterias resistentes a éstos. 

Figura 1. Esquema del ciclo redox del proceso foto-Fenton solar

 

Entre las nuevas tecnologías disponibles para la regeneración de aguas residuales cabe destacar, por su elevada eficacia, los procesos de oxidación avanzada (POA). Además, aquellos procesos que son capaces de emplear la luz solar como fuente de radiación, resultan especialmente interesantes. Entre estos tratamientos solares destaca el proceso foto-Fenton. Su eficiencia se explica por la generación de radicales hidroxilo (OH·), los cuales tiene un alto potencial de oxidación. El mecanismo se basa en las reacciones mostradas la Figura 1, donde el Fe2+ se oxida a Fe3+ mediante reacción con el peróxido de hidrógeno, generando OH· y reduciéndose de nuevo a Fe2+ por acción de la radiación UV-Vis, generando otro radical. En conjunto, se establece un ciclo redox entre el Fe2+ y el Fe3+ activado por la radiación, consumiéndose peróxido de hidrógeno y generando radicales hidroxilo. En este sentido, el uso de radiación solar permite reducir los costes de operación de manera ambientalmente sostenible.

Los resultados de la investigación sobre el proceso foto-Fenton solar, en materia tanto de desinfección como de eliminación de contaminantes emergentes, son prometedores.

Los resultados de la investigación sobre el proceso foto-Fenton solar, en materia tanto de desinfección como de eliminación de contaminantes emergentes, son prometedores. Además, cabe mencionar que el interés mundial por la investigación en aplicaciones del proceso foto-Fenton está aumentando constantemente, superándose las cuarenta publicaciones anuales en revistas científicas de prestigio, en los últimos tres años. Por ello, el interés por este proceso se ha incrementado en los últimos años, presentándose como una alternativa a los tratamientos convencionales (radiación UVC, ozonización y cloración, principalmente). Uno de los principales factores en los que se enfoca la investigación es en el diseño de un reactor que sea eficaz a la hora de captar luz UVA solar y ciertas cantidades de radiación visible (hasta 600 nm), además de ser sencillo y económico de construir. En este sentido, los reactores de bajo coste tipo raceway pond reactor (RPR), inicialmente desarrollados para el cultivo de microalgas, han sido propuestos recientemente como alternativa a los reactores convencionales tubulares con colectores solares tipo cilindro-parabólico compuesto (CPC). Los reactores “RPR” consisten en canales abiertos a través de los cuales circula el agua impulsada por un agitador tipo rueda de paletas. 

Figura 2. Montaje experimental de la operación en continuo del proceso foto-Fenton solar en fotorreactores RPR

 

Figura 3. Reactor RPR operando en modo continuo con columna de carbonato cálcico para neutralización de los efluentes tratados mediante foto-Fenton solar a pH ácido

 

La unidad de Regeneración de Aguas, del Centro de Investigación en Energía Solar (CIESOL) de la Universidad de Almería, es pionero en la investigación de la operación en modo continuo de estos fotorreactores. Los trabajos se centran en el estudio del efecto combinado de la radiación solar y la concentración de reactivos en la eliminación de microorganismos patógenos y contaminantes emergentes. Para ello, se ha investigado el tratamiento a pH neutro usando el complejo Fe3+-EDDS y sales de sulfato ferroso, respectivamente, y como alternativa para reducir costes de operación se estudia actualmente la aplicación del complejo Fe3+-NTA. Además, con el fin de utilizar condiciones más oxidantes que permitan la eliminación de genes de resistencia a los antibióticos, se investiga la operación en continuo a pH ácido. Para poder reutilizar los efluentes tratados a pH ácido, el grupo ha propuesto la neutralización posterior en columnas de carbonato de calcio, obtenido como subproducto de la industria del mármol. De esta forma se reducirían los costes de reactivos asociados a la neutralización. Además, el lecho de carbonato de calcio actúa como filtro reteniendo el hierro precipitado tras la neutralización. Los resultados obtenidos son prometedores. Respecto a la carga total de contaminantes emergentes detectados en los efluentes secundarios de EDAR, variable en el rango de 20 a 50 µg/L, es posible eliminar más del 80% operando los fotorreactores RPR con tiempos de residencia hidráulicos cercanos a 30 minutos. Al mismo tiempo, la concentración de E. coli, cercana a 104 CFU/mL, se reduce por debajo del límite (1 CFU/mL) establecido en el Real Decreto 1620/2007. Además, se atenúan los potenciales de fitotoxicidad y citotoxicidad y se elimina la actividad androgénica/glucocorticoide y la estrogenicidad del agua residual. Los estudios de laboratorio indican que con un tiempo de residencia hidráulico de 30 min y condiciones suaves de oxidación (30 mg/L de peróxido de hidrógeno y 5 mg/L de hierro), se pueden regenerar 305 m3/m2año de agua residual en reactores de 5 cm de profundidad de líquido, estimándose un coste de tratamiento dentro del coste actual de los tratamientos terciarios.

Figura 4. Investigadores del grupo de Regeneración de Aguas del Ciesol junto al RPR de escala demostrativa (Proyecto Life Ulises, Grant Agreement no. LIFE18 ENV/ES/000165). De izquierda a derecha: Dra. Paula Soriano, Dra. Irene de la Obra, Prof. José Antonio Sánchez, Prof. José Luis García, Prof. José Luis Casas, Ingeniera Elisabeth Gualda.

 

A partir de estos estudios, se han desarrollado modelos cinéticos que representan una descripción simplificada de los procesos microbiológicos y fotoquímicos implicados en la inactivación de microorganismos y eliminación de contaminantes emergentes para su aplicación en ingeniería. Fruto de la investigación, en colaboración con otros centros de investigación de alto prestigio a nivel internacional, se han publicado artículos en revistas de alto factor de impacto.

Los resultados logrados suponen un avance para el diseño y operación de fotorreactores de bajo coste aplicados al tratamiento de aguas mediante foto-Fenton solar, abriendo el camino a la implementación del proceso como tratamiento terciario a escala demostrativa.

Estos resultados suponen un avance importante para el diseño y operación de fotorreactores de bajo coste aplicados al tratamiento de aguas residuales mediante foto-Fenton solar, que abre el camino a la implementación del proceso como tratamiento terciario a escala demostrativa. En este sentido, actualmente se encuentran en ejecución dos proyectos enmarcados dentro del Programa de Medio Ambiente y Acción por el Clima (LIFE) de la Unión Europea: LIFE-ULISES y LIFE-PHOENIX, en el que el CIESOL colabora con la empresa FCC Aqualia con el fin de evaluar a escala demostrativa en las EDAR de la cuidad de Almería esta propuesta pionera a nivel mundial.


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