WO2015071509A1

WO2015071509A1 - Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales

Info

Publication number: WO2015071509A1
Application number: PCT/ES2014/000193
Authority: WO
Inventors: Francisco Javier DEIVE HERVA; Maria Salomé ÁLVAREZ ÁLVAREZ; Fátima MOSCOSO DÍAZ; Ana Maria Rodriguez Rodriguez; Maria Ángeles SANROMÁN BRAGA
Original assignee: Universidade De Vigo
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2015-05-21
Also published as: ES2535784B2; ES2535784A1

Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales que comprende una etapa de degradación biológica en donde el efluente se trata con bacterias en un medio que contiene sales y un surfactante no iónico, seguido de una etapa de extracción líquido-líquido de los compuestos orgánicos no metabolizados anteriormente utilizando un surfactante no iónico y una sal como agente de segregación de fases.

Description

Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a un procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos en aguas residuales, este procedimiento encuentra aplicación en el tratamiento de efluentes industriales contaminados de sectores como por ejemplo el metalúrgico. También es adecuado para acoplar a efluentes obtenidos tras el tratamiento por lavado de suelos contaminados con hidrocarburos (Chi FH, 2010, Remediation of polycyclic Aromatic Hydrocarbon- contaminated soils by non-ionic surfactants: Column experiments. Environmental Engineering Science 28, 1-7), que es una de las técnicas que pueden ser empleadas tanto in situ como ex situ para la remediación de este tipo de enclaves.

Estado de la técnica

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) son compuestos orgánicos formados por la fusión de dos o más moléculas de benceno. Se conocen unos cien HAPs diferentes al existir una gran cantidad de isómeros, sin embargo la Agencia Estadounidense del Medioambiente (US EPA) solo ha definido como contaminantes prioritarios a dieciséis de ellos, entre ellos naftaleno, acenafteno, antraceno, trifenileno, fenantreno, benzo[a]pireno, benzo [a] antraceno, benzofurano, fluoranteno, pireno etc. De este grupo se elige al fenantreno como modelo de HAPs de bajo peso molecular y el benzo [a] antraceno y el pireno, como modelos de alto peso molecular.

El aumento de la industrialización y sobre todo de la utilización de derivados del petróleo y su combustión ha incrementado la contaminación con HAPs y suponen un considerable riesgo para los seres vivos (Jiang, Y.F., Wang, X.T., Wu, M.H., Sheng, G.Y., Fun, J.M. (2011) Contamination, source, Identification and risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons in agricultural soil of Shanghai, China. Environmental Monitoring and Assessment 183, 139-150). Históricamente, los HAPs han sido considerados como los primeros agentes químicos causantes de tumores malignos en seres humanos, y han despertado una gran preocupación debido a su elevada persistencia medioambiental, como consecuencia de su gran hidrofobicidad. Debido a ello, existen diversas estrategias in situ o ex situ de tratamiento de estos compuestos, que a su vez se pueden dividir en métodos físicoquímicos y biológicos.

Los métodos físicoquímicos se basan en procesos de adsorción o desorción de los HAPs mediante el empleo de sustancias que favorecen estos procesos o bien el uso de distintos tipos de agentes oxidantes para la degradación de los mencionados contaminantes. De este modo, métodos tales como la sonicación (Sponza & Oztekin, 2010), adsorción (Yuan, M., Tong, S., Zhao, S., Jia, C.Q. (2010) Adsorption of polycyclic aromatic hydrocarbons from water using petroleum coke-derived porous carbón. Journal of Harzadous Materials 181 , 11 15-1120), floculación (Poerschmann, J., Trommler, U., Nyplova, P., Morgenstern, P., Górecki, T. (2008) Complexation-flocculation of organic contaminants by the application of oxyhumolite- based humic organic matter. Chemosphere 70, 1228-1237), filtración (Fountoulakis, M.S., Terzakis, S., Kalogerakis, N., Manios, T. (2009) Removal of polycyclic aromatic hydrocarbons and linear alkylbenzene sulfonates from domestic wastewater in pilot constructed wetlands and a gravel filter. Ecological Engineering 35, 1702-1709), ozonización (Russo, L., Rizzo, L., Belgiorno, V. (2012) Ozone oxidation and aerobic biodegradation with spent mushroom compost for detoxification and benzo(a)pyrene removal from contaminated soil, Chemosphere 87, 595-601) y fotodegradación (Sanches, S., Leitao, C, Penetra, A., Cardoso, V.V., Ferreira, E., Benoliel, M.J., Crespo, M.T.B., Pereira, V.J. (2011) Direct photolysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in drinking water sources. Journal of Hazardous Materials 192, 1458-1465) son los más comúnmente aplicados en procesos de remediación físicoquímicos de efluentes. Otro importante grupo de métodos lo componen los que utilizan sistemas acuosos bifásicos, competitivos incluso frente a otros procesos de extracción de PAHs mediante fluidos supercríticos (Ávila-Chávez, M.A., Trejo, A.,(2010) Remediation of soils contaminated with total petroleum hydrocarbons and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: Extraction with supercritical ethane. Industrial Engineering and Chemistry Research 49, 3342-3348). Se ha demostrado que este tipo de sistemas presentan una gran versatilidad, y han sido propuestos como técnica de separación para diversidad de compuestos de interés industrial presentes en disolución acuosa, como proteínas (Deive, F.J., Rodríguez, A., Pereiro, A.B, Araújo, J.M.M., Longo, M.A., Coelho, M.A.Z., Canongia Lopes, J.N., Esperan a, J.M.S.S., Rebelo, L.P.N., Marrucho, I.M. (2011) Ionic liquid-based aqueous biphasic system for lipase extraction. Green Chemistry 13, 390-396); (Ventura, S.P.M., Barros, R.L.F., Barbosa, J.M.P., Soares, C.M.F., Lima, A.S., Coutinho, J.A.P. (2012) Production and purification of an extracellular lipolytic enzyme using ionic liquid-based aqueous two-phase systems. Green Chemistry 14, 734-740), alcaloides (Freiré, M.G., Neves, C.M.S.S., Marrucho, I.M., Canongia Lopes, J.N., Rebelo, L.P.N., Coutinho, J.A.P. (2010) High-performance extraction of alkaloids using aqueous two-phase systems with ionic liquids. Green Chemistry 12, 1715-1718), antibióticos (Soto, A., Arce, A., Khoshkbarchi, M.K. (2005) Partitioning of antibiotics in a two-liquid phase system formed by water and a room temperature ionic liquid. Separation and Purification Technology 44, 242- 246) y antioxidantes (Ulloa et al, 2012a). El agente extractor utilizado en la separación de fases puede ser de distinta naturaleza química, entre los que destacan algunos tipos de polímeros como polietilenglicol, dextrano, alcohol polivinílico, sales orgánicas e inorgánicas (Ulloa, G., Coutens, C, Sánchez, M., Sineiro, J., Fábregas, J., Deive, F.J., Rodríguez, A., Núñez, M.J. (2012a) On the double role of surfactants as micoalga cell lysis agents and antioxidants extractante. Green Chemistry 14, 1044-1051 , Ulloa, G., Coutens, C, Sánchez, M., Sineiro, Rodríguez, A., Deive, F.J., Núñez, M.J. (2012b) Sodium salí effect on aqueous solutions containing Tween 20 and Tritón X-102. Journal of Chemical Thermodynamics 47, 62-67), líquidos iónicos (Gutowski, K.E., Broker, G.A., Willauer, H.D., Huddleston, J.G., Swatloski, R.P. (2003) Controlling the aqueous miscibility of ionic liquis: Aqueous biphasic systems of water-miscible ionic liquids and water-structuring salís for recycle, metathesis and separations. Journal of the American Chemical Society 125, 6632-6633) y surfactantes (Weschayanwiwat, P., unanupap, O., Scamehorn, J.F. (2008) Benzene removal from waste water using aqueous surfactant two-extraction with cationic and anionic surfactant mixtures. Chemosphere 72, 1043-1048).

Por su parte, la eliminación de HAPs por métodos biológicos se realiza mediante la presencia de organismos vivos (Janbandhu, A., Fulekar, M.H. (201 1) Biodegradation of phenanthrene using adapted microbial consortium isolated from petrochemical contaminated environment. Journal of Hazardous Materials 187, 333-340; Tiwari, J.N., Reddy, M.M.K., Patel, D.K., Jain, S.K., Murthy, R.C., Manickam, N. (2010) Isolation of pyrene degrading Achromobacter xylooxidans and characterization of metabolic product. World Journal of Microbiology and Biotechnology 26, 1727-1733) que pueden degradar estos compuestos en presencia de oxígeno (degradación aeróbica) o sin oxígeno (degradación anaeróbica).

A menudo, la utilización de una única técnica de remediación no permite alcanzar elevados niveles de eliminación del contaminante, por lo que es necesario plantear nuevos procedimientos que además de reducir la presencia de contaminantes a niveles residuales, mejoren la eficiencia de punto de vista económico y medioambiental. Descripción de la invención

La presente invención propone un proceso de remediación de aguas residuales contaminadas por HAPs en dos etapas. La primera de ellas consiste en la degradación biológica de los HAPs por parte de microorganismos, más concretamente bacterias. La segunda etapa consiste en la extracción de los contaminantes aromáticos no biodegradados mediante sistemas acuosos bifásicos utilizando surfactantes no iónicos.

La presente invención consta de dos etapas diferenciadas, la primera de degradación biológica y la segunda de extracción líquido-líquido del efluente acuoso.

Degradación biológica El efluente contaminado con HAPs se trata en un reactor que puede operar en discontinuo, semidiscontinuo o continuo, que contiene bacterias que se seleccionan de un grupo formado por las especies Pseudomonas stutzeri, Bacillus pumilus o Staphylococcus warneri o una combinación de ellas, en un medio de cultivo que contiene los nutrientes mínimos indispensables para el crecimiento de una colonia (medio mínimo). Las bacterias se inoculan en una concentración de 30-50 mililitros de inoculo por litro de disolución. Para facilitar la degradación biológica se adiciona un agente surfactante que facilita la biodisponibilidad de los contaminantes, para poder ser metabolizados por el microorganismo. Preferentemente se utilizan surfactantes no iónicos, más en particular surfactantes no iónicos de fórmula (I), donde n es un número entero que se selecciona de 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, que contienen la estructura polioxietilen 4-(tert-octil)-fenil éter. Algunos de ellos son conocidos por su nombre comercial, por ejemplo el éter con n=9 o 10 es conocido comercialmente como Tritón® X-100, Nonidet® P-40 o IGEPAL® CA-630, el éter con n=7 o 8 es conocido comercialmente como Tritón® X-l 14.

También se pueden utilizar surfactantes no iónicos de fórmula (II) conocidos comercialmente como polisorbato 80 ó Tween® 80, o surfactantes de fórmula (III), comercialmente conocidos como polisorbato 20 o Tween® 20

Estos surfactantes que funcionan como fuente de carbono de los microorganismos en el cultivo de las bacterias, son además económicos y biodegradables, y están presentes en una concentración entre 0.5-2 gr de surfactante por litro de disolución. En esta etapa se consiguen niveles de eliminación de la carga contaminante superiores al 90% para los distintos contaminantes modelo utilizados, independientemente de la cepa seleccionada. La biodegradación de los HAPs es completa, como queda demostrado al analizar por cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) la ruta degradativa, en la que se observa una completa transformación del contaminante a C0₂ y H 0.

Separación de materia biológica

A fin de hacer más eficiente la siguiente etapa de extracción es necesaria una etapa de separación de la materia biológica de la solución acuosa. La separación puede efectuarse por decantación, sedimentación, filtración o centrifugación.

Extracción líquido-líquido

A continuación a la corriente resultante se añade un surfactante no iónico, más en particular surfactantes no iónicos como los descritos anteriormente (página 4, líneas 17 a 28) y una sal, preferentemente orgánica y biodegradable que se selecciona de un grupo formado por citrato potásico, tartrato potásico o el oxalato potásico, o una combinación de ellas, que utilizadas como agentes de extracción permiten realizar una extracción líquido-líquido y separar los HAPs que permanecen en el efluente tras el proceso de degradación biológica. De este modo, el surfactante no iónico, previamente utilizado para solubilizar los HAPs hidrofóbicos y hacer posible su degradación por el agente microbiano, facilita la extracción de los contaminantes hidrocarburados mediante la adición de la sal en un proceso a temperatura ambiente. Dicha sal actúa como desencadenante de la segregación de fases, ya que compite con el surfactante por las moléculas de agua presentes. La selección de una sal orgánica se basa en su elevada capacidad extractiva, similar a la de otras sales inorgánicas, que también podrían ser usadas en la presente invención.

En un modo de realización particular tras la separación de las fases, el surfactante no iónico se puede reclicar (figura 1 , h), utilizándose en la preparación en el medio de cultivo en la etapa de degradación biológica.

El uso del procedimiento descrito según la presente invención es aplicable en aguas residuales de origen tanto urbano como industrial

Los análisis por cromatografía líquida (HPLC) del efluente tratado permiten concluir unos porcentajes finales de remediación superiores al 90% para todos los HAPs seleccionados (98% para fenantreno y pireno y mayores del 90% para benzo [a] antraceno) .

Descripción de los dibujos

Figura 1. Esquema del proceso de remediación de HAPs mediante una etapa de tratamiento biológico y una etapa de extracción líquido-líquido: a) surfactante + medio mínimo; b) efluente contaminado; c) biomasa; d) citrato sódico; e) surfactante; f disolución acuosa concentrada de surfactante; g) efluente tratado; h) recirculación de surfactante.

BR: Biorreactor; SD: Sedimentador; TQ: Tanque de mezcla; DC: Decantador.

Ejemplo de una realización de la invención

En el ejemplo se detalla un modo de realización del proceso de biodegradación y extracción de HAPs:

Remediación de fenantreno, pireno y benzo [a] antraceno (PHE, PYR y BaA) en un efluente acuoso en presencia de surfactante no iónico. En primer lugar se inocularon bacterias de la especie Pseudomonas stutzeri a una concentración inicial comprendida entre 3 y 5% (v/v) de una suspensión de cultivo tras 24 h de incubación. El efluente tenía una mezcla de HAPs (fenantreno, pireno y benzo[a]antraceno) a una concentración entre 50 y 500 μΜ cada uno de ellos, en un medio mínimo de composición: 8,5 g/L de Na₂HP0₄-2H₂0, 3,0 g/L de KH₂P0₄, 0,5 g/L NaCl, 1,0 g/L de NH₄C1, 0,5 g/L de MgS0₄- 7H₂0, 14,7 mg/L de CaCb, 0,4 mg/L de CUSC , 1,0 mg/L de KI y 4,0 mg/L de MnS0₄. Además se añadió el surfactante no iónico Tritón X-100 a una concentración entre 0.5-2% (p/v), preferente mente entre 1 y 2 % (p/v), y a una temperatura de 37°C, pH 8 y 150 rpm en matraces Erlenmeyer de 250 mL.

La concentración de HAPs en todas las muestras líquidas se determinó mediante cromatografía líquida de alta resolución de fase reversa (HPLC). Para este fin se utilizó un equipo de HPLC-DAD (Agilent 1 100) equipado con desgasificador, bomba cuaternaria, inyector automático, detector de diodos y una columna de fase reversa XDB-C8 (150 x4,6 mm d.i., 5 μηι). Antes inyectar las muestras, se pasan a través de filtros de jeringa de teflón de 0,45 μηι para evitar la posible entrada de partículas sólidas al sistema. Se inyectan 5 μΐ_^ de muestra que se eluyen en modo isocrático durante 12 minutos con un caudal de 1 mL/min empleando una mezcla de acetonitrilo y agua (67:33) para el caso del PHE y B[a]A y con una mezcla de acetonitrilo y agua (65/35) para la elución del PYR. La detección se lleva a cabo mediante un barrido desde los 200 a los 400 nm. La identificación del PHE, PYR y B[a]A se realiza por tiempos de retención y por comparación con el espectro UV/Visible de cada uno de ellos. La cuantificación de cada HAP se realiza a 252 nm mediante la comparación del área de pico con la obtenida en la curva de calibrado. Después de una semana de proceso biológico se alcanzó la fase estacionaria, llegándose a valores de degradación superiores al 50% en todos los casos (Tabla 1). Tabla 1. Datos experimentales de degradación y extracción para cada uno de los

HAPs modelo considerados

HAP % Degradación biológica % Extracción

Fenantreno 59,8 98,0

Pireno 56,5 98,2

Benzo[a]antraceno 81,0 90,2

Además, se demostró la mineralización total de los contaminantes por medio de GC-MS. Para ello se tomaron alícuotas de 5 mL de cultivo que se sometieron a un proceso de extracción líquido líquido con cloroformo (relación 1 :1). Tras secado sobre sulfato sódico anhidro, se analizó el contenido de la muestra mediante un cromatógrafo de gases Agilent GC 6850 equipado con una columna capilar HP5 MS (30 m x 250 μηι x 0.25 mm, Agilent), operando con hidrógeno como gas portador, y acoplado a un espectrómetro de masas Agilent MD 5975. El horno se programa para operar a 50°C durante 4 min, seguido de una rampa temperature de 10°C/min hasta alcanzar 270°C, donde se mantuvo durante 10 min. Los productos de degradación se identificaron mediante comparación con la base de datos de espectros NISTS 2.0.

La existencia del surfactante no iónico Tritón X-100 en el medio de cultivo, como agente de solubilización de los contaminantes hidrofóbicos, permite plantear el uso de diferentes sales orgánicas biodegradables para lograr una concentración de los contaminantes no biodegradados. El estudio de los datos de equilibrio líquido-líquido de los sistemas acuosos bifásicos de sales de potasio nos indica que la separación eficiente de fases en el efluente a tratar se consigue mediante la adición de sal tal que permita una recta de reparto de longitud 53.37 (15% de sal y 18% de surfactante). Una vez eliminadas las células del medio de cultivo por sedimentación, se procedió a añadir las cantidades mencionadas de sal al efluente previamente sometido al proceso de degradación biológica. Esta mezcla se agita hasta conseguir un buen grado de mezcla y se deja decantar hasta alcanzar el equilibrio químico y termodinámico (1 hora). Se separan ambas fases, y el análisis por HPLC permitió confirmar niveles de extracción superiores al 90% en los tres contaminantes seleccionados (Tabla 1). Además, la fase superior (disolución acuosa concentrada en surfactante) puede ser recirculada a la entrada del biorreactor, ya que redundaría en una mayor eficiencia del proceso.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales que comprende:

a) tratar la corriente acuosa en un reactor que contiene bacterias en un medio de cultivo mínimo que contiene sales y un surfactante no iónico, b) separar de la materia biológica de la solución acuosa,

c) extraer de los compuestos orgánicos no metabolizados en la etapa a) utilizando un surfactante no iónico y una sal como agente de segregación de fases.

2. Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales, según reivindicación 1, que comprende además la reutilización del surfactante no iónico que se obtiene en la etapa c) en la preparación del medio de cultivo de la etapa a).

3. Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales, según reivindicaciones 1-2, caracterizado por utilizar una especie de bacteria que se selecciona del grupo formado por Pseudomonas stutzeri, Bacilus pumilus o Staphylococcus warneri o una combinación de éstas.

4. Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por utilizar como surfactante no iónico compuestos de fórmula (1), donde n es un número entero que se selecciona de 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12 o una combinación de ellos.

5. Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por utilizar como surfactante no iónico compuestos de fórmula (II).

6. Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por utilizar como surfactante no iónico compuestos de fórmula (III).

7. Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales, según reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por utilizar como agente para la segregación de fases una sal que se selecciona del grupo formado por citrato potásico, tartrato potásico u oxalato potásico, o una combinación de ellas.

8. Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales, según reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque en la etapa a) las bacterias se inoculan en una concentración de 30-50 mililitros de inoculo por litro de disolución.

9. Procedimiento para la eliminación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales, según reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque en la etapa a) el surfactante no iónico está presente en una concentración entre 0.5- 2 gr de surfactante por litro de disolución.

10. Uso del procedimiento descrito según la reivindicación 1, en aguas residuales de origen urbano o industrial.

1 1. Uso del procedimiento descrito según la reivindicación 1 , en aguas residuales provenientes del tratamiento de suelos contaminados con compuestos orgánicos