Desinfección fotocatalítica y sus beneficios en la reutilización de aguas residuales tratadas

Desinfección fotocatalítica y sus beneficios en la reutilización de aguas residuales tratadas

01/04/2016

Desinfección fotocatalítica y sus beneficios en la reutilización de aguas residuales tratadas



Autor: Cristina Pablos Carro, Grupo URJC

Blog: www.madrimasd.org


Antecedentes


El crecimiento de la población y la escasez, hacen del agua un recurso cada vez más preciado y de la reutilización del agua una necesidad en todo el mundo. El RD 1620/2007 establece el régimen jurídico de reutilización de aguas depuradas. Puesto que la normativa establece límites de calidad microbiológica de las aguas destinadas a la reutilización según su uso, sería necesario un tratamiento terciario de desinfección de dichas aguas.
 
En la actualidad la fotocatálisis heterogénea con TiO2 parece ser una alternativa eficaz a la cloración en la desinfección de aguas por ser barata, limpia, y permitir el uso de luz solar para llevar a cabo el proceso. La aparición de nuevas líneas de investigación basadas en la incorporación de iluminación LED en el diseño de reactores fotocatalíticos, mejoraría la eficiencia del proceso, impulsando la aplicación comercial de estos procesos de desinfección fotocatalítica.
 


Reutilización de aguas residuales

 
El desarrollo económico implica la necesidad de disponer de recursos hídricos adicionales para poder abastecer a todos los sectores. El problema radica en que el deterioro del medio ambiente junto con la imposibilidad de realizar nuevas obras civiles de captación del recurso agravan el déficit hídrico. Una de las vías para poder disminuir el uso de agua potable sin sacrificar el desarrollo económico consiste en la reutilización de efluentes de depuradoras puesto que constituye uno de los recursos más importantes en volumen y disponibilidad. De esta forma, la reutilización del agua ofrecería una fuente de agua independiente del clima y localmente controlada.
 
Destacar las ventajas que supondría la utilización de aguas regeneradas para regadío, reduciendo los costes de depuración de agua, debido a que los nitratos y fosfatos que contiene son muy útiles para los cultivos por sus propiedades fertilizantes.
 
Los beneficios también se extienden al terreno medioambiental, ya que el reciclaje de aguas residuales evita el vertido de contaminantes al mar, preserva y mejorar los humedales, además de reducir las aportaciones de dióxido de carbono a la atmósfera [1]. Así, las aguas regeneradas podrían llegar a ser  una nueva fuente de recursos hídricos.
 


Real Decreto 1620/2007 

 
El 7 de diciembre de 2007 se instauró el Real Decreto 1620/2007 en el que se establece el régimen jurídico de reutilización de aguas depuradas y que ha sido el marco que ha dirigido la reutilización casi durante 10 años. Gobierno y sector privado son conscientes de esta necesidad como muestra el creciente número de estudios orientados a este fin [1-4]. Sin embargo, los resultados no han sido tan exitosos como los esperados. El Real Decreto de 2007 sobre reutilización de aguas depuradas fijaba como objetivo que en el horizonte 2015 se emplearan 1.200 hm3 [1]. Sin embargo, en España se reutilizan 299,17 hectómetros cúbicos de aguas depuradas al año, lo que supone una cuarta parte de lo previsto en 2007 [1]. Por ello, aún es necesario seguir avanzando en este campo sobre todo en España, donde las  sequías y la falta estructural de agua en determinadas zonas es un problema recurrente.
 
En el anexo I de este Real Decreto se recogen los criterios de calidad para la utilización de las aguas regeneradas según los usos. Así, se clasifican los usos del agua en urbanos, agrícolas, industriales, recreativos y ambientales. Cada uno de ellos está sometido a distintas exigencias de calidad pero todos los criterios tienen la consideración de mínimos obligatorios exigibles, siendo uno de los parámetros que se evalúan la concentración de Escherichia coli.
 
La identificación y cuantificación de los todos los diferentes microorganismos patógenos que pueden estar presentes en el agua se encuentra más allá de las posibilidades de la mayor parte de los laboratorios analíticos encargados de la vigilancia de las fuentes de suministro. Por este motivo se utilizan microorganismos indicadores para obtener un índice de la calidad de las aguas. Los criterios exigibles a dichos microorganismos son: i) que no sean patógenos por sí mismos; ii) que estén habitualmente asociados al tracto intestinal de humanos y animales; iii) que sean fácilmente detectables por métodos sencillos y rápidos; iv) que no estén presentes en aguas naturales; y v) que su persistencia en agua y su grado de eliminación en los tratamientos de desinfección sea similar a la de los microorganismos patógenos de transmisión hídrica.
 
El indicador más ampliamente utilizado es el grupo de los microorganismos coliformes, que incluye a Escherichia coli. Los coliformes proporcionan un parámetro indicador de gran sensibilidad de la posible existencia de contaminación fecal en las aguas. En lo que se refiere a la reutilización de las aguas depuradas, la concentración de Escherichia coli es el parámetro elegido por el Real Decreto 1620/2007 como referencia para establecer la calidad microbiológica de las aguas requerida por los diferentes usos. De ahí la necesidad de establecer en una EDAR tratamientos terciarios de desinfección, previo a la reutilización de las aguas.
 


Tecnicas de desinfección

 
Las técnicas convencionales de desinfección por cloración presentan algunos inconvenientes en su aplicación debido a la generación de subproductos de desinfección de naturaleza cancerígena [5]. Por este motivo, en la actualidad se están dedicando importantes esfuerzos al desarrollo de las denominadas Tecnologías Avanzadas de Oxidación. Entre estas técnicas, destaca la fotocatálisis heterogénea con TiO2 por ser una tecnología limpia que se realiza en condiciones de operación suaves, presión atmosférica y temperatura ambiente, sin necesidad de añadir ningún compuesto químico oxidante aparte de aire. Permite además la utilización de luz solar como fuente energética del proceso [6].
 
Cuando el TiO2, se encuentra en suspensión en una disolución acuosa y es irradiado con luz UV-A, se producen reacciones de oxidación a partir del agua, generando radicales hidroxilo así como otras especies oxidantes responsables de la oxidación de los contaminantes. Alternativamente, el TiO2 puede inmovilizarse en un soporte sólido eliminando la necesidad de su separación. A pesar de que en este caso hay que tener en cuenta que el proceso ofrece eficiencias menores debido a una menor área superficial de catalizador expuesta a la luz y a las moléculas a eliminar así como a las limitaciones en la transferencia de materia [7], es a lo que se debe tender para hacer este proceso comercial.
 
Los mecanismos de inactivación celular no se conocen demasiado. Lo más aceptado es que la membrana externa es el primer sitio de ataque de los radicales •OH, dando lugar a una oxidación de los lípidos insaturados de la misma. Este ataque conduce a la destrucción de la envolvente celular, aumentando la permeabilidad y permitiendo el ataque a componentes internos citoplasmáticos como la coenzima A, clave en la respiración, o directamente al ADN [8].
 
La aplicación comercial de los procesos fotocatalíticos está aún en desarrollo, especialmente en el ámbito de los procesos de desinfección, debido a los numerosos factores a considerar así como la necesidad de desarrollo de sistemas catalíticos inmovilizados eficientes que permitan aplicar esta tecnología en un proceso en continuo.
 


Tecnología LED

 
Actualmente, la aplicación de este proceso fotocatalítico como tratamiento terciario de desinfección en una EDAR a menor coste parece más cercano con el desarrollo y disponibilidad de fuentes de iluminación Led (del acrónimo inglés LED, “light-emitting diode” o diodo emisor de luz) de radiación UV-A comerciales. Mientras que los focos de luz fluorescente sólo convierten el 10% de su energía en luz perdiendo el resto como calor, en el caso de los ledes, la mayor parte de la energía se usa en la producción de luz en vez de calor, resultando mucho más eficientes. La primera aplicación práctica de led visible tuvo lugar en 1962 gracias a  Nick Holonyak.
 
Los ledes generan luz de una manera completamente distinta a las fuentes de iluminación tradicionales. Un led es un chip de material semiconductor compuesto de dos regiones: (i) una de tipo n, dominada por cargas negativas (electrones) y (ii) otra de tipo p, dominada por cargas positivas (huecos). La unión p/n constituye una región de transición entre las capas del semiconductor. Cuando se aplica suficiente voltaje al semiconductor, los electrones migran hacia la región de transición n/p, dónde éstos, negativamente cargados, se recombinan con las cargas positivas. Esta recombinación de cargas libera energía electromagnética en forma de un fotón de luz. La frecuencia y color percibido de los fotones emitidos es característico del material semiconductor [9].
 
Así, el desarrollo y optimización de este tipo de iluminación LED abre camino a futuras líneas de investigación centradas en la aplicación LED para aumentar la eficacia de Procesos Avanzados de Oxidación fotoquímicos en la desinfección de aguas residuales para su reutilización.
 
 
 
Referencias
 
[1] Newsletter “Aguas residuales. Info”, 2016. “España reutiliza 300 hectómetros cúbicos de aguas depuradas al año, sólo una cuarta parte de lo previsto”. http://www.aguasresiduales.info/revista/noticias/espana-reutiliza-300-hectometros-cubicos-de-aguas-depuradas-al-ano-solo-una-cuarta-pa-0nI7T Fecha de último acceso: 16/03/2016.
[2] Loctier, D. Euronews, 2016. “Reutilizar el agua, una solución ecológica para la industria”. http://es.euronews.com/2015/05/11/reutilizar-el-agua-una-solucion-ecologica-para-la-industria/    Fecha de último acceso: 16/03/2016.
[3] Newsletter “Aguas residuales. Info”, 2016. “Reflexiones sobre la reutilización del agua”. http://www.aguasresiduales.info/revista/noticias/reflexiones-sobre-la-reutilizacion-del-agua-por-miquel-salgot-rc0OvFecha de último acceso: 16/03/2016.
[4] Newsletter “Rio Negro”, 2016. “Experiencia piloto para reutilizar aguas cloacales en el riego de parcelas forrajeras”. http://www.rionegro.com.ar/diario/experiencia-piloto-para-reutilizar-aguas-cloacales-en-el-riego-de-parcelas-forrajeras-8082324-9701-nota.aspxFecha de último acceso: 16/03/2016.
[5] Richardson S.D., 2003. “Disinfection by-products and other emerging contaminants in drinking water”. TrAC Trends in Analytical Chemistry 22, 666–684.
[6] Malato S., Blanco J., Alarcón D.C., Maldonado M.I., Fernández-Ibáñez P., Gernjak W., 2007. “Photocatalytic decontamination and disinfection of water with solar collectors”. Catalysis Today 122, 137-149.
[7] Blanco Gálvez J., Malato Rodríguez S., Peral J., Sánchez B., Cardona A.I. “Diseño de reactores para fotocatálisis: evaluación comparativa de las distintas opciones”. En: Blesa M.A. y Sánchez B. (eds.) Eliminación de contaminantes por fotocatálisis heterogénea, 2004, pp. 243-266, Ciemat, Madrid.
[8] Fernández Ibáñez P. “Desinfección con reactores solares: experiencia operativa”. En: Blesa M.A. y Sánchez B. (eds.) Eliminación de contaminantes por fotocatálisis heterogénea, 2004, pp. 259-276, Ciemat, Madrid.
[9] W.-K. Jo, R. J. Tayade, 2014. “New generation energy-efficient light source for photocatalysis: LEDs for environmental applications” Industrial & Engineering Chemistry Research 53, 2073−2084.
 

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