Tratamiento de aguas residuales sintéticas mediante fotocatálisis y procesos de oxidación avanzados

Abstract

El presente Trabajo Fin de Grado aborda el estudio científico de la inactivación de un agente patógeno, en este caso Escherichia coli, inoculado en muestras de agua residual simulada. En este sentido, se estudian diversos métodos de desinfección emergentes, tales como la fotocatálisis o los Procesos de Oxidación Avanzados, incluyendo en la investigación la generación de radicales oxidantes mediante la combinación de fotocatalizadores (por ejemplo, dióxido de titanio y óxido de zinc) y peroximonosulfato de potasio. Las tareas de innovación e investigación dentro del campo de la desinfección y el tratamiento de aguas residuales son uno de los principales frentes de actuación de la industria química y medioambiental. El agua es un elemento fundamental para la sociedad, ya sea para el consumo humano o para su empleo en la agricultura o en procesos de producción y desde hace varias décadas existe una creciente preocupación en la gestión de los recursos hídricos. Los enormes volúmenes de aguas residuales que se generan a diario han de someterse a complejos procesos de regeneración para poder ser reutilizados. Por lo general, las aguas residuales llegan a las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), donde se produce la depuración de las aguas, esto es, su adecuación a las normativas de vertido vigentes; en otro tipo de instalaciones, las Estaciones Regeneradoras de Aguas Residuales (ERAR) se efectúan tratamientos adicionales sobre las aguas ya depuradas, de manera que se adhieran a los estándares de calidad que exigen las diversas aplicaciones que puedan tener las aguas regeneradas. No obstante, hasta que el agua no es tratada en las Estaciones de Tratamiento de Agua Potable (ETAP) no se considera como agua apta para el consumo humano. Algunos de los tratamientos de desinfección que se aplican en ciertas etapas del ciclo, pese a su eficacia, han demostrado albergar ciertos riesgos; tal es el caso del tratamiento de desinfección más extendido hoy en día, la cloración, que genera subproductos tóxicos y cancerígenos como los trihalometanos. A este respecto, el trabajo se enfoca como una investigación de varios tratamientos de desinfección de aguas residuales alternativos a las opciones convencionales, explorando diferentes concentraciones y combinaciones de las especies químicas consideradas, logrando la fotoactivación de estas empleando radiación UV-A de baja intensidad (con respecto a metodologías similares ya existentes). En este caso, se estudia la activación fotocatalítica del peroximonosulfato de potasio (PMS) mediante su combinación con dióxido de titanio (TiO2) u óxido de zinc (ZnO). Uno de los objetivos principales del trabajo es la valoración de la influencia de factores relevantes en procesos de desinfección para la inactivación del indicador de contaminación fecal E. coli. Para ello, se construye un sistema de desinfección con un circuito electrónico capaz de suministrar radiación UV-A (de 3 a 16 W/m2) a varios reactores en el receptáculo habilitado a tal instancia y se evalúa la eficacia y la influencia en la desinfección del tipo e intensidad de radiación empleada en los experimentos. Los resultados que se obtienen en la etapa experimental y que implican la activación de los fotocatalizadores con radiación UV-A no proporcionan desinfección en las condiciones de operación consideradas. La activación fotolítica del PMS en solitario (utilizado siempre en una concentración de 0,1 mM) proporciona inactivación total de la E. coli en 30 minutos de tratamiento, mostrando una gran eficacia bajo las condiciones de experimentación. La activación fotocatalítica del PMS utilizando TiO2 mejora los resultados obtenidos en la activación fotolítica del PMS, proporcionando desinfección total en 15 minutos de tratamiento. La activación fotocatalítica del PMS con ZnO, por el contrario, no mejora los resultados del sistema PMS/UV-A, pero proporciona una eliminación completa de E. coli en 60 minutos. Al disminuir la intensidad de radiación a 3 W/m2 se observa un empeoramiento en la capacidad desinfectante del PMS activado fotolíticamente, y se investiga la influencia de la concentración de fotocatalizador en los mecanismos de activación fotocatalítica, encontrándose un óptimo de concentración para el TiO2 en 0,25 g/L (que consigue inactivación completa de E. coli) y para el ZnO en 0,5 g/L. Finalmente, se intenta soportar los fotocatalizadores TiO2 y ZnO sobre zeolitas naturales con el objetivo de facilitar la recuperación posterior de los estos. Sin embargo, los primeros experimentos de soporte no logran una fijación satisfactoria de las partículas ni desinfección apreciable, por lo que es necesario abordar investigaciones en el futuro.