Desinfecció electroquímica d'aigües residuals per processos d'oxidació avançada

Abstract

Els mètodes electroquímics s’estan estudiant com a mètodes alternatius pel tractament de l’aigua amb la finalitat d’eliminar-ne els contaminants, tant els microbiològics com els químics, en qualsevol punt del cicle de l’aigua. L’oxidació electroquímica, l’electro-Fenton (EF) i el fotoelectro-Fenton (FEF) són processos electroquímic d’oxidació avançada (PEOA) on per reaccions d’oxidació i reducció es produeixen espècies oxigenades reactives (ROS), “in situ”, que són forts oxidants. L’espècie més significativa que es forma és el radical hidroxil (•OH), una espècie molt reactiva que reacciona de forma no específica amb les molècules orgàniques. Aquest treball té com a objectiu contribuir a l’estudi de desinfecció d’aigües residuals urbana i industrial, mitjançant mètodes electroquímics individuals o combinats tot utilitzant ànodes de BDD, d’òxids de Ruteni o òxids d’Iridi i càtodes de difusió d’oxigen. Es van iniciar els treballs aplicant l’efecte de l’electro-oxidació, en una aigua sintètica dopada amb bacteris amb diferents parets cel·lulars i morfologia, amb un ànode de BDD, a una densitat de corrent constant de 33,3 mA cm-2. Es van escollir cinc representants dels patògens bacterians trobats al medi aquatic; dos bacteris Gram-negatius; Escherichia coli i Pseudomonas aeruginosa, i tres Gram-positius; Bacillus atrophaeus, Staphylococcus aureus i Enterococcus hirae cadascun d’ells va reduir la seva concentració inicial, de 106 ufc/mL , un mínim, de 5 unitats logarítmiques en 60 min. Es va estudiar i modelitzar la cinètica d’inactivació de cadascun d’ells tenint en compte característiques com la seva paret cel·lular i morfologia. L’observació de les cèl·lules bacterianes, amb microscòpia electrònica de rastreig, després del tractament mostrava una morfologia alterada, especialment en les Gram-negatives. Experiments fets amb P. aeruginosa van permetre comparar l’eficiència de diferents elèctrodes com són els ànodes de BDD, d’òxid de ruteni i d’òxid d’iridi. Així mateix, s’observava una inactivació més ràpida quan s’incorporava NaCl al medi, degut a la producció d’espècies de clor actives, essent els ànodes més eficients en la producció els de RuO2 i IrO2, respecte als de BDD. Posteriorment, els tractaments electroquímics d’aigües residuals, d’origen urbà i d’una fàbrica productora de formatge, es van desenvolupar combinant l’electrocoagulació (EC) amb processos electroquímics d’oxidació avançada com EF i FEF. Es va avaluar la inactivació de diferents microorganismes: bacteris, coliforms somàtics, espores i protozous. El tractament de la microbiota present en l’aigua residual urbana, tant de l’efluent primari com del secundari, amb un procés d’EC realitzat amb elèctrodes de Fe a 200 mA durant 90 minuts, va mostrar que els colifags somàtics i els eucariotes eren els més sensibles i s’inactivaven després de 20 minuts de tractament, mentre que els bacteris heteròtrofs, E. coli, enterococci i C. perfringens van persistir al tractament. L'aplicació seqüencial d’EC seguit d’EF, durant 30 minuts cadascun, va ser el tractament més eficaç per a la inactivació de la microbiota present a les aigües residuals urbanes. En canvi, els tractaments d’EC amb Fe/Fe a 200 mA portats a terme en l’aigua residual de la formatgeria van ser poc eficient en la disminució del TOC i en la inactivació dels bacteris. Quan s’aplicava un tractament EF amb elèctrodes BDD a aquesta aigua residual s’obtenia una inactivació completa dels bacteris làctics (120 min), E. coli i enterococs (60 min), que es reduïa a la meitat quan els ànodes eren RuO2. Finalment, l'aplicació d’un tractament d’EC durant 45 min seguit d’un PEOAs, EF o FEF, durant 120 min a pH 3,0, amb ànodes BDD o RuO2 i càtode de difusió d’oxigen, va aconseguir inactivar 7 log els bacteris heteròtrofs i 5 log els bacteris de l’àcid làctic. El tractament seqüencial EC més FEF va ser el més efectiu. Els resultats obtinguts permeten considerar aquests tractaments adequats per a la depuració degut principalment a les espècies oxigenades reactives i al clor actiu generats.

Electrochemical methods are being studied as alternative methods for the treatment of water in order to eliminate contaminants, both microbiological and chemical.

Electrochemical oxidation, electro-Fenton and photoelectron-Fenton are advanced electrochemical oxidation processes (PEOA) where oxidation and reduction reactions produce reactive oxygenated species (ROS), "in situ", which are strong oxidants The most significant species that forms is the hydroxyl radical (•OH), a very reactive species that reacts in a non-specific way with organic molecules.

This work aims to contribute to the study of disinfection of urban and industrial wastewater, by means of individual or combined electrochemical methods using BDD anodes, Rutenium oxides or Iridium oxides and oxygen diffusion cathodes.

The effect of electro-oxidation, with a BDD anode, was tested in the inactivation of bacteria, with different cell walls and morphology. Five representatives of the bacterial pathogens found in the aquatic environment were selected; two Gram-negative bacteria; Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa, and three Gram-positive; Bacillus atrophaeus, Staphylococcus aureus and Enterococcus hirae each reduced its initial concentration of 106 ufc / mL, a minimum of 5 logarithmic units in 60 min. The kinetics of inactivation of each one of them were studied taking into account characteristics such as cell wall and morphology. The observation of the bacterial cells, with electronic scanning microscopy, after treatment showed an altered morphology, especially in the Gram-negative ones.

Experiments with P. aeruginosa allowed to compare the efficiency of different electrodes, such as BDD anodes, ruthenium oxide and iridium oxide. Likewise, a faster inactivation was observed when NaCl was incorporated into the environment, due to the production of active chlorine species, with the most efficient production anodes being those of RuO2 and IrO2, compared with those of BDD.

Subsequently, the electrochemical wastewater treatment, of urban origin and a cheese production factory, was developed by combining electrocoagulation with advanced oxidation electrochemical processes such as electro-Fenton and foto-electron-Fenton. The inactivation of different microorganisms was evaluated: bacteria, somatic coliforms, spores and protozoa. The results obtained allow to consider these treatments suitable for the treatment mainly due to the reactive oxygenated species and the active chlorine generated.