Remediación de efluentes contaminados mediante métodos físicos y biológicos

Resumo

El agua es un recurso natural irreemplazable e imprescindible para la vida y el desarrollo de todos los seres vivos del planeta. En la actualidad, una de las principales amenazas a las que se enfrenta la población mundial es el constante deterioro de la calidad del agua, debido a la incesante actividad industrial y el evidente cambio climático que se viene observando en las últimas décadas. Los efectos cada vez más notables como el aumento de zonas desérticas, los intensos periodos tormentosos y los brotes epidémicos empiezan a alertar del deterioro del agua como un problema de ciclópeas consecuencias para nuestra supervivencia. Una de las causas de esta problemática se centra en la constante síntesis de nuevos compuestos químicos, con efectos desconocidos sobre el medio ambiente y con una legislación deficiente. Por esta razón, es evidente la necesidad de adoptar soluciones a largo plazo para resolver estos episodios de contaminación no solo en los países industrializados, sino también mediante acciones de prevención en los países en vía de desarrollo. En este sentido, una correcta protección del medio ambiente requiere la adopción de protocolos de buenas prácticas que impliquen un consumo mínimo de los recursos naturales y un máximo nivel de reciclaje. La solución a este problema empieza por la existencia de regulaciones más estrictas a nivel nacional e internacional sobre la gestión ambiental. En este contexto, la investigación de nuevos métodos de remediación de estos contaminantes ha sido objeto de un inusitado interés académico e industrial. La elección de una u otra estrategia vendrá marcada por las circunstancias específicas de cada caso concreto, pudiendo ser más ventajoso un tratamiento ex-situ que uno in-situ dependiendo de aspectos tales como el tipo de contaminante presente o del área contaminada. En ocasiones, la aplicación de una única técnica de eliminación de contaminantes no permite alcanzar los objetivos deseados, motivo por el cual se requiere la combinación de diferentes alternativas. Teniendo en cuenta lo mencionado, a lo largo de esta tesis doctoral se abordarán diferentes estrategias para la remediación de efluentes contaminados por diversos compuestos de naturaleza recalcitrante como son los tintes industriales, los hidrocarburos aromáticos policíclicos, los metales pesados y los fármacos, estos últimos en representación de los contaminantes emergentes. Los colorantes son unos de los compuestos más sintetizados en todo el mundo. Estas sustancias son utilizadas de forma común en la industria de la alimentación, farmacéutica, del papel, aunque son los tintes utilizados en la industria textil los responsables de la mayor producción de efluentes contaminados debido a la gran demanda de agua que requieren sus procesos. La presencia de tintes va a afectar no solo a la actividad fotosintética de la vida acuática sino también al incremento de la demanda química de oxígeno. Las complejas estructuras aromáticas de los tintes son principalmente resistentes a la acción de la luz, la actividad biológica, el ozono y otras condiciones de degradación medioambientales. Dicha naturaleza química es responsable de su persistencia y peligrosidad en el medioambiente, surgiendo así una gran inquietud por la presencia de estos compuestos, ya que a menudo contienen en sus estructuras metales, cloruros y diversos compuestos aromáticos que desencadenan efectos mutagénicos, tóxicos y carcinogénicos en el ser humano y otras especies vivas. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) son un grupo de compuestos tóxicos ampliamente presentes en el medioambiente, pudiendo encontrarse en el aire, el suelo, o incluso en las plantas y los animales como resultado tanto de procesos antropogénicos o naturales, como por ejemplo la combustión de derivados del petróleo o las erupciones volcánicas o incendios forestales. Se conocen unos cien HAPs diferentes al existir una gran cantidad de isómeros, sin embargo la Agencia Estadounidense del Medioambiente (US EPA) y la Unión Europea (UE) solo han definido como contaminantes prioritarios a dieciséis de ellos. Se sabe que este tipo de moléculas son persistentes en la naturaleza debido a sus propiedades físicoquímicas, como su baja solubilidad acuosa y presión de vapor, su alta lipofilicidad y su gran estabilidad termodinámica debido al sistema conjugado del anillo bencénico. Los metales pesados ocupan otro nicho destacado en el deterioro del medioambiente. Éstos se pueden encontrar en el suelo, los sedimentos o el agua y, aunque algunos de ellos son esenciales para el desarrollo de las funciones vitales de los organismos, como por ejemplo el cinc, hierro, manganeso o vanadio entre otros, su presencia en gran cantidad es peligrosa o letal para los seres vivos. De forma general, estos compuestos suelen presentarse en forma de coloides, partículas iónicas o formando parte de complejos organometálicos, aunque también exhiben una gran afinidad por los ácidos húmicos o las arcillas orgánicas. Una propiedad destacada de los metales pesados, que condicionará su mayor o menor grado de contaminación, es su solubilidad en agua. Este parámetro estará influido de forma determinante por variables como el pH, la salinidad, el tipo de especies añadidas para formar complejos o el ambiente redox del medio en el que se encuentren. Finalmente, los contaminantes emergentes engloban un amplio rango de compuestos de naturaleza antropogénica tales como los cosméticos, los pesticidas, los productos de higiene personal, los medicamentos, o los retardantes de llama entre otros. En los últimos años, el desarrollo de nuevos métodos de análisis más sensibles ha permitido alertar de su presencia y peligrosidad. El gran problema que encierran los contaminantes emergentes es la falta de conocimiento de sus efectos a corto y largo plazo sobre la salud humana o el medioambiente, lo que ha retardado su regulación. Otra particularidad de estos compuestos es su presencia constante en el medioambiente como consecuencia de su elevada producción y consumo. De todos los contaminantes emergentes recogidos en la Directiva (2000/60/CE), los productos farmacéuticos son los más estudiados debido a su elevado consumo. Estas moléculas suelen llegar al medioambiente en sus formas originales o metabolizadas. Diversos estudios han demostrado la presencia de estos medicamentos en aguas superficiales y subterráneas, en aguas residuales urbanas e incluso en aguas potables. Por consiguiente, la presencia de estos contaminantes peligrosos exige el esfuerzo de desarrollar técnicas eficientes y sostenibles para su eliminación del medioambiente. Esta tesis doctoral estará enfocada a evaluar la eficacia de los métodos biológicos y físicos, tales como la biodegradación/biosorción y los sistemas acuosos bifásicos, para la eliminación de este tipo de contaminantes persistentes. Las tecnologías utilizadas tradicionalmente en el tratamiento de las aguas residuales han estado divididas en dos categorías principales: así se pueden citar procesos físico-químicos y biológicos. Los primeros están basados en la adsorción o la descomposición de los contaminantes por medio de materiales adsorbentes o agentes oxidantes, respectivamente. A su vez, la eliminación de contaminantes mediante métodos biológicos puede llevarse a cabo por medio de procesos de biosorción, biodegradación o la combinación de ambos. Por otra parte, la selección de una u otra estrategia no debería estar exclusivamente fundamentada en la eficacia del proceso seleccionado sino que debe integrar aspectos medioambientales y económicos para lograr su puesta en práctica a escala real. Todas estas técnicas tienen sus ventajas e inconvenientes, por un lado los procesos físicos suelen lograr una eliminación rápida de los contaminantes y una alta posibilidad de regeneración del material adsorbente, sin embargo suelen ser costosos y generan gran cantidad de residuos. De la misma manera, los procesos químicos suelen tener el inconveniente de su elevado coste y la generación de metabolitos secundarios, los cuales pueden llegar a ser incluso más tóxicos que el compuesto de partida. En contrapartida, estos procesos suelen mostrar una gran eficacia a la hora de diseñar la tecnología de descontaminación a gran escala. Por otro lado, los métodos biológicos tienen la ventaja de ser viables económicamente y más respetuosos con el medioambiente que los anteriores, aunque se suelen caracterizar por ser procesos lentos.