Combination of Advanced Oxidation Processes and Biological Treatments for Commercial Reactive Azo Dyes Removal

Abstract

La industria textil produce grandes cantidades de agua residual con un alto contenido de materia orgánica y color. Debido a la amenaza ambiental que supone su naturaleza refractaria, surge la necesidad del tratamiento antes de la descarga. Los procesos biológicos, físicos y químicos convencionales resultan ineficaces en la decoloración y mineralización completa de estos efluentes. Como alternativa emergen los Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs), basados principalmente en la generación de radicales hidroxilo (HO·) altamente reactivos. Éstos pueden aplicarse de forma exclusiva o combinados con tratamientos biológicos con el fin de reducir su elevado consumo de reactivos y energía. Entre los diferentes PAOs disponibles, los procesos de Fenton y, particularmente, los procesos de foto-Fenton (basados en la generación de HO· mediante la adición de peróxido de hidrógeno y una sal ferrosa en disolución acuosa) suponen la mejor opción debido a su elevada eficacia y bajo coste económico. Adicionalmente, los procesos de foto-Fenton pueden llevarse a cabo bajo radiación solar, ofreciendo nuevas ventajas económicas y medioambientales. <br/>Esta tesis doctoral se centra básicamente en la aplicación del proceso de foto-Fenton como etapa previa en la degradación de soluciones de azo colorantes reactivos biorrecalcitrantes, con el propósito de generar un nuevo efluente compatible con un tratamiento biológico aerobio posterior de menor coste e impacto ambiental que el primero. La evolución de parámetros clave como el color, el carbono orgánico total, la aromaticidad, la toxicidad, la biodegradabilidad, la naturaleza de los intermedios de degradación, así como el efecto de la fuente de irradiación (luz artificial, luz solar), la temperatura, el tiempo de reacción y la concentración de reactivos, proporcionan información acerca de las condiciones idóneas para el acoplamiento PAO/tratamiento biológico. <br/>Los resultados obtenidos confirman la idoneidad del PAO propuesto con este fin, tanto a escala de laboratorio como en planta piloto. Mediante el proceso de foto-Fenton aplicado bajo condiciones de oxidación suaves, las soluciones bajo estudio resultan incoloras, de naturaleza biodegradable y no tóxica. De este modo, el tratamiento combinado foto-Fenton/tratamiento biológico aerobio permite su degradación completa. La luz solar como fuente de radiación en el proceso de foto-Fenton proporciona los mejores resultados. Por otro lado, la secuencia oxidativa parece comenzar por la decoloración por rotura del grupo azo seguida de la degradación de aromáticos para formar ácidos carboxílicos alifáticos -dando lugar a la formación de CO2 y H2O- o el anillo triazina de naturaleza recalcitrante. Una parte importante de los heteroátomos presentes en la molécula original aparecen como productos finales de naturaleza inorgánica inocua.<br/>El trabajo está ampliado con un estudio económico y medioambiental del proceso secuencial foto-Fenton (luz artificial)/tratamiento biológico. La evaluación medioambiental se ha realizado mediante la herramienta de Análisis de Ciclo de Vida. En comparación con los procesos simples foto-Fenton bajo luz artificial y foto-Fenton bajo luz solar, el tratamiento combinado resulta la mejor opción en ambos contextos. Los mayores impactos se asocian, en este orden, al consumo de peróxido de hidrógeno y de energía para alimentar la luz artificial. En consecuencia, y atendiendo a los resultados obtenidos previamente, es posible concluir que el proceso de foto-Fenton asistido con luz solar como pre-tratamiento de un proceso biológico sería la mejor opción en términos de efectividad, impacto medioambiental y coste operacional. <br/>Finalmente, como alternativa a la estrategia de oxidación química/tratamiento biológico aerobio, el PAO se aplica como post-tratamiento a un proceso biológico anaerobio. Los PAOs considerados son la ozonización y el proceso de foto-Fenton. Los resultados obtenidos manifiestan la idoneidad de la secuencia propuesta, obteniéndose unos mejores niveles de degradación mediante el proceso con ozono. Estos resultados son de especial interés en futuras aplicaciones para el tratamiento de aguas residuales textiles reales.

The textile industry produces large quantities of wastewater that is highly coloured and contains large concentrations of organic matter. Due to the environmental threat that supposes its recalcitrant nature, the application of specific treatment is required prior discharge. Conventional biological, physical and chemical processes are quite inefficient to completely mineralise and decolourise these effluents. Alternatively appear the Advanced Oxidation Processes (AOPs), principally based on the generation of highly reactive hydroxyl radicals (HO·). They may be applied as exclusive processes or combined with biological treatments in an attempt to reduce their large chemicals and energy consumption. Among available AOPs, the Fenton and, particularly, the photo-Fenton processes (based on HO· generation by means of hydrogen peroxide and a ferrous salt addition in aqueous solution) are of special interest since they achieve high reaction yields with a lower operational cost. Additionally, the photoassisted reaction presents the possibility of be driven under solar irradiation, offering further economic and environmental advantages. <br/>This doctoral dissertation is basically centred in the performance of the photo-Fenton process as a previous step to treat biorecalcitrant solutions polluted with commercial reactive azo dyes, aiming to generate a new effluent amenable to aerobic biotreatment (with a lower economic and environmental impact than the AOP). The evolution of key parameters such as the colour, the total organic carbon, the aromatic compounds content, the toxicity, the biodegradability, the generated by-products nature, as well as the type of irradiation effect (artificial light, solar light), the temperature, the reaction time and the reagents concentrations, provide information about the most suitable conditions to carry out the AOP/biological coupled treatment. <br/>Obtained results evidence the aptness of the AOP proposed with this aim, either at laboratory and pilot plant scale. With a partial oxidation run under proper mild conditions, the studied dye solutions become decolourised, biodegradable as well as non toxic. In this way, the combined photo-Fenton/biological treatment allows the complete mineralisation. The solar light as a source of irradiation provides the best results. On the other hand, the oxidative sequence appears to begin with the hydroxyl radical attack to azo groups, giving place to the solutions decolourisation. The following aromatics degradation generates either short chain carboxylic acids -finally yielding CO2 and water- or the recalcitrant triazine moiety. An important part of the heteroatoms initially present in the molecule gradually appear as innocuous final products of inorganic nature.<br/>The work is extended with an economic and environmental study of the sequential photo-Fenton (artificial light)/biological treatment process. The environmental evaluation has been realised by means of the Life Cycle Assessment tool. In comparison with single artificial light photo-Fenton process and solar driven photo-Fenton process, the combined treatment supposes the best option in both contexts. The major burdens are mainly attributed to the hydrogen peroxide requirements and the electrical energy consumption to run the artificial light, in this order. Consequently, and attaining to previously obtained results, the solar driven photo-Fenton process as a pre-treatment of a biological treatment would be the best option in terms of effectiveness, environmental impact and operational cost. <br/>Finally, as an alternative to the chemical/aerobic biological treatment, the AOP is performed as a post-treatment of an ensuing anaerobic biotreatment. Ozonation and photo-Fenton processes have been chosen for this role. Obtained results manifest the suitability of the proposed sequence, attaining the best degradation levels by means of ozonation process. These results are of special interest for real wastewater applications.