Proceso para la eliminación de productos farmacéuticos presentes en aguas residuales mediante la utilización de carbón activado en polvo (PAC) en un reactor biológico secuencial acoplado a una cámara de membrana de ultrafiltración.

Este reactor consta de una primera unidad de reacción que opera de forma secuencial y donde se añade el PAC. El efluente generado de la primera unidad pasa a una cámara anexa que dispone de una membrana de ultrafiltración con tamaño de poro en el rango 0,04-0,4 {mi}m provista de aireación continua y cuyo permeado constituye la corriente final del proceso. El PAC se adiciona con el objetivo de maximizar la eliminación de contaminantes farmacéuticos, especialmente de aquellos de naturaleza más recalcitrante. Mediante este proceso se logra reducir no sólo materia orgánica (>95%) y nutrientes (>75%) sino que se también se consiguen altos rendimientos (>90%) de eliminación de los productos farmacéuticos presentes a niveles traza (

Proceso para la eliminación de productos farmacéuticos presentes en aguas residuales.

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a un proceso de eliminación de productos contaminantes farmacéuticos presentes en aguas residuales en concentraciones traza, mediante la adición de carbón activo en polvo en un reactor biológico secuencial acoplado a una cámara anexa que contiene una membrana de ultrafiltración.

Estado de la técnica

Los compuestos farmacéuticos constituyen un grupo de contaminantes orgánicos con un amplio número de principios activos que se consumen masivamente en las sociedades desarrolladas. Se trata de sustancias presentes en la formulación de productos farmacológicos así como de cuidado personal (champús, lociones corporales, protectores solares, etc.), abarcando por tanto un amplio espectro en lo que respecta a su estructura molecular, propiedades físico-químicas, potencial de biodegradabilidad y persistencia. En la actualidad, se están utilizando miles de principios activos para sintetizar un número mucho mayor de estos productos. Tomando como ejemplo el ámbito de la UE, se están utilizando más de 3000 sustancias diferentes sólo en medicina humana, a las que hay que sumar un número muy importante de fármacos de uso veterinario. En cuanto a las perspectivas para los próximos años, se prevé un incremento en el consumo de medicamentos, principalmente debido al envejecimiento paulatino de la población, aunque también debido a la mejora en la calidad de vida. La regulación legislativa de estas sustancias en el medio ambiente es inminente, tal y como indica la Directiva Marco del Agua (2000/60/EC). En este sentido, se están discutiendo una serie de listas de contaminantes prioritarios que se están actualizando cada cuatro años y en donde ya aparecen varios compuestos farmacéuticos.

Estos compuestos se han detectado en diferentes compartimentos medioambientales, tales como ríos, lagos, aguas subterráneas, sedimentos, etc. La falta de información conclusiva sobre el potencial impacto ecotoxicológico derivado de la presencia de este tipo de compuestos en el medioambiente ha convertido este tema en un asunto puntero en el sector del tratamiento de aguas. La creciente preocupación se basa fundamentalmente en el hecho de que este tipo de sustancias se ha diseñado específicamente para producir un efecto biológico en los pacientes a los que se les administran, incluso en concentraciones muy bajas.

Los compuestos farmacéuticos que se encuentran en el medio ambiente deben su origen a varias fuentes como el consumo oral que conlleva la excreción de la fracción de medicamento no metabolizada en la orina y las heces o el lavado de las sustancias que se aplican sobre la piel (fragancias, lociones, etc.), estando así presentes en las aguas residuales domésticas y llegando a las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR). También los hospitales se caracterizan por un alto consumo de este tipo de sustancias, lo que supone que sus aguas residuales tienen una carga mayor de estos compuestos que las Aguas Residuales Urbanas (ARU). Los hospitales, aparte de tener un consumo de agua muy elevado, vierten en general aguas muy complejas debido a la multitud de compuestos utilizados (agentes de diagnóstico como los medios de contraste, anestésicos como los alquil-fenoles, desinfectantes como alcoholes, formaldehído y clorofenoles, fármacos, etc.). En un estudio llevado a cabo por nuestro grupo de investigación de la Universidade de Santiago de Compostela se constató que los efluentes hospitalarios presentan unos niveles de contaminación significativamente más elevados que los municipales, con concentraciones máximas medidas para los parámetros convencionales que triplicaban los estándares fijados para aguas residuales municipales concentradas. Para algunos productos farmacéuticos se midieron concentraciones en los efluentes de hospital de hasta 40 veces las detectadas en aguas municipales (Suárez S. 2008, Tesis Doctoral, Universidade de Santiago de Compostela).

Con la tecnología implementada en las EDAR más modernas, se asegura una eliminación eficaz del carbono y del nitrógeno presente en las ARU, además de un estricto control microbiano. Sin embargo, estas instalaciones están recibiendo un gran número de microcontaminantes orgánicos, como los productos farmacéuticos, para los que las tecnologías de tratamiento convencionales no han sido diseñadas específicamente. Esto conlleva a una descarga no controlada de productos farmacéuticos a los medios acuáticos superficiales y subterráneos con el consiguiente impacto al medio ambiente.

La eliminación de productos farmacéuticos durante el tratamiento de aguas residuales tiene lugar por medio de un conjunto de mecanismos, tales como la volatilización, la adsorción en el fango y la transformación biológica y/o química. Parámetros como la temperatura, el uso de aditivos, el Tiempo de Retención Celular (TRC) y la composición, estructura y concentración de la biomasa, han demostrado influenciar significativamente las eficacias de eliminación de estos compuestos (Omil F et al., 2010, In: Xenobiotics in the Urban Water Cycle, Ed. Springer, pp. 283-306). A modo de resumen, la operación con elevadas concentraciones de lodo y altos TRC son favorables para maximizar la eliminación de productos farmacéuticos.

Por otro lado, se ha observado que la operación en condiciones de nitrificación-desnitrificación propicia la generación de la enzima amonio monooxidasa (AMO) por parte de grupos específicos de bacterias mejorando la eliminación de algunos contaminantes farmacéuticos, como ocurre con el naproxeno, la roxitromicina y eritromicina, iopromide y trimetoprim (Suárez et al. 2010, Water Research 44, pp. 3214-3224; Batt et al., 2006, Environ. Sci. Technol. 40, pp. 7367-7373; Pérez et al., 2005, Environmental Toxicology and Chemistry 24, pp. 1361-1367) o incluso con la hormona sintética etinilestradiol (Forrez et al., 2008; Journal of Chemical Technology and Biotechnology 84, pp. 119-125).

Los biorreactores de membrana se basan en una combinación de un reactor biológico con biomasa en suspensión en el que se sumerge o coloca externamente una membrana de microfiltración o ultrafiltración. Presenta la ventaja de favorecer la operación con elevadas concentraciones de lodo y TRC en comparación con los sistemas convencionales de lodos activos (Conventional Activated Sludge, CAS) y de producir efluentes de elevada calidad en cuanto a sus características microbiológicas y parámetros convencionales (fundamentalmente sólidos). Sin embargo, se ha observado que en la etapa de filtración por membrana no se eliminan los productos farmacéuticos por exclusión de tamaño, por lo que aún no está claro si este tipo de sistemas pueden mejorar la eliminación de estos compuestos a niveles traza. Esto implica que en este tipo de sistemas se ve favorecida la eliminación de los productos farmacéuticos biodegradables (e.g. ibuprofeno) y también de aquellos que tienen tendencia a adsorberse sobre el lodo (e.g. galaxolide). Sin embargo, algunos compuestos que han mostrado ser altamente persistentes en sistemas CAS (e.g. carbamazepina) tampoco se eliminan en los biorreactores de membrana (Clara M et al., 2004, Water Research 38, pp. 947-954).

Se ha demostrado que el uso de carbón activo en columnas de adsorción como tratamiento terciario es efectivo la para la eliminación de compuestos farmacéuticos (Choubert JM et al., 2011, Water Science & Technology 63, pp. 57-65). Sin embargo, la adición de carbón activo directamente en las plantas de tratamiento de aguas residuales con el propósito de eliminar contaminantes farmaceúticos no es una estrategia conocida. No obstante, existen algunos trabajos en sistemas de lodos activos en donde se ha utilizado el carbón activo en polvo en concentraciones de 500 a 4000 mg/L para incrementar la eficacia de la etapa de nitrificación (Ng and Stenstrom, 1987, J. Environ. Eng. 113, pp. 1285-1301), mientras que otros autores han observado un aumento en la eliminación de materia orgánica así como una significativa disminución de toxicidad causada por compuestos inhibidores (Widjaja T. et al., 2004, Chemosphere 57, pp. 1219-1224). Además, se ha observado que el carbón activo es un adecuado soporte al cual se pueden adherir bacterias, siendo posible mejorar la retención de aquellas bacterias con lento crecimiento, como las mirificantes (Thuy andd Visvanathan, 2006, Water Science and Technology 53, pp. 89-97). Investigaciones mas recientes han demostrado que el uso de carbón activo puede...

1. Proceso para la eliminación de compuestos farmacéuticos presentes en aguas residuales mediante la utilización de carbón activo en polvo (PAC) en un reactor biológico secuencial acoplado a una cámara de membranas de ultrafiltración que comprende las siguientes etapas:

a) Recogida de las aguas residuales caracterizadas por la presencia de materia orgánica en el rango 500-2000 mg DQO/L, nitrógeno amoniacal en el rango 10-100 mg N-NH₄/L y fósforo en el rango 1-10 mg P-PO₄/L, así como de compuestos farmacéuticos en concentraciones traza: por debajo de 100 μg/L.

b) Tratamiento biológico de las aguas residuales en un reactor discontinuo secuencial que recibe una dosificación directa de carbón activo en polvo, donde la operación del reactor discontinuo secuencial supone el seguimiento de un ciclo de programación controlado mediante un temporizador que comprende las fases siguientes: llenado parcial, operación anóxica, operación aerobia, sedimentación y vaciado parcial.

c) Tratamiento de la corriente generada tras el vaciado parcial del reactor discontinuo secuencial en una cámara anexa que dispone de una membrana de ultrafiltración y de una aireación continua desde el fondo en la cual se producen dos corrientes: i) un permeado generado por la membrana que constituye la corriente final del proceso, ii) una corriente que contiene el rechazo acumulado en dicha cámara, una parte del cual se recircula mediante una bomba al interior del reactor discontinuo secuencial durante la fase de aireación y la otra parte constituye la corriente de purga del proceso.

2. Proceso, según la reivindicación 1, caracterizado porque en el reactor discontinuo secuencial se efectúa un intercambio volumétrico en el rango 20-50% y por la siguiente distribución de tiempos en el reactor discontinuo secuencial para ciclos de 6 horas: 3-10% llenado; 20-30% en condiciones de reacción anóxica, sin aireación pero con agitación; 60-70% en condiciones de reacción aerobia, con aireación; y 3-10% decantación y vaciado.

3. Proceso, según la reivindicación 1, caracterizado por la adición de PAC directamente en el reactor discontinuo secuencial con el objetivo de mantener una concentración constante en el rango 0,5-2 g PAC/L, que se logrará mediante el ajuste del caudal de purga.

4. Proceso, según la reivindicación 1, caracterizado por el mantenimiento de un tiempo de retención de sólidos de 30-120 días, cuyo control se logra mediante la realización de purgas.

5. Proceso, según la reivindicación 1, caracterizado porque la membrana de ultrafiltración utilizada para obtener la corriente final del proceso tiene un tamaño de poro de 0,04-0,4 μm, y opera siguiendo una rutina continua que alterna períodos de succión y de relajación que suponen el 80-90% y el 10-20% del tiempo de operación de la membrana, respectivamente.

6. Proceso, según la reivindicación 1, caracterizado porque la membrana de ultrafiltración está inmersa en una cámara anexa en la parte inferior de la cual se dispone de difusores de burbuja gruesa que inyectan de forma continua una corriente de aire para obtener un flujo cruzado en la superficie de la membrana con el objeto de minimizar el ensuciamiento de ésta.

7. Proceso, según la reivindicación 1, para la eliminación de compuestos farmacéuticos presentes en aguas residuales procedentes de hospitales, industrias farmacéuticas y/o explotaciones agropecuarias que empleen medicamentos veterinarios.