Nuevo sistema biologico de bio-oxidación avanzada para la eliminación de fármacos en aguas residuales urbanas

Investigadores del Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, dentro del proyecto REMTAVARES de la Comunidad de Madrid, y del proyecto MOTREM de la convocatoria europea Water JPI, han propuesto y probado con éxito un reactor biológico de bio-oxidación avanzada basado en la actividad de Trametes versicolor, un hongo de la madera de podredumbre blanca, para el tratamiento de aguas residuales urbanas portadoras de fármacos residuales. El sistema, un contactor biológico rotativo, permite el soporte de un cultivo de hongos y la generación de un cultivo mixto hongo/bacteria durante la operación del mismo. El resultado es una depuración del agua residual y una eliminación de los fármacos más eficaz que los sistemas convencionales de fangos activos presentes actualmente en la mayoría de depuradoras de aguas residuales urbanas. El estudio se completa con la valorización energética de la biomasa excedente del tratamiento biológico, obteniendo una producción de biogás mediante digestión anaerobia del cultivo mixto de este sistema superior al producido con fango de tratamiento biológico de una depuradora convencional.

Grupo de Ingeniería Química y Ambiental – URJC

Las Tecnologías de Oxidación Avanzada (TOAs) son los procesos más estudiados para la eliminación de fármacos en aguas residual. Estas tecnologías son capaces de eliminar contaminantes orgánicos mediante la generación de radicales hidroxilo de elevado poder oxidante. Sin embargo, suelen ser muy demandantes en términos de energía (temperatura, radiación ultravioleta, ultrasonidos, et.), presión, y/o consumo de reactivos. Como alternativa, se ha demostrado que la producción de radicales hidroxilo es posible en sistemas biológicos basados en hongos de la podredumbre blanca (Marco-Urrea y col., 2010).  Los hongos de la madera de la podredumbre blanca, se caracterizan por su capacidad para degradar y mineralizar la compleja molécula de la lignina en su entorno natural, empleando sistemas enzimáticos intra y extra celulares (Gómez-Toribio y col., 2009). En el denominado proceso de bio-oxidación avanzada, la presencia de un agente quinónico (mediador) promueve la actividad enzimática de los hongos, ejerciendo como sustituto de la lignina, y dando lugar a una serie de reacciones radicalarias que culminan, en presencia de sales de hierro, con la generación de radicales oxidantes, entre ellos los radicales hidroxilo. El proceso de bio-oxidación avanzada permite por tanto incrementar la actividad natural de los hongos, consiguiendo la degradación de moléculas orgánicas complejas, como por ejemplo las moléculas de fármacos presentes en las aguas residuales urbanas.

Investigadores del Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, dentro del proyecto REMTAVARES de la Comunidad de Madrid, y del proyecto MOTREM de la convocatoria europea (Water JPI), han propuesto y probado con éxito un reactor biológico basado en estos sistemas de bio-oxidación avanzada con Trametes versicolor, un hongo de la madera de la podredumbre blanca, para el tratamiento efectivo de los fármacos de aguas residuales urbanas. Este reactor (Figura 1), consiste en un sistema de discos giratorios (denominado contactor biológico rotativo) en los que el hongo se encuentra soportado sobre la superficie de los discos formando una película pseudo-homogénea. Los discos giran continuamente, manteniendo sumergida un 40% de su superficie total, asegurando así una buena homogeneización y aireación del agua residual que entra al reactor.

Figura 1. Esquema del proceso e imagen contactor biológico rotativo con T. versicolor soportado

En este estudio, el reactor se  alimentó durante 40 días con agua residual urbana dopada con doce fármacos de diferentes familias y actividades terapéuticas (hidroclorotiazida, diclofenac, ácido clorifíbrico, carbamazepina, gemfibrozil, antipirina, ranitidina, sulfametoxazol, atenolol, cafeína, ibuprofeno y sulpirida), seleccionados en base a su concentración y frecuencia de aparición en efluentes de depuradoras, así como el riesgo potencial para el medio ambiente asociado a cada uno de ellos. También se añadieron pequeñas cantidades de ácido gálico como mediador quinónico y sales metálicas de hierro y manganeso. El tiempo de residencia en el reactor fue de 1 día durante todo el estudio.

Los resultados de esta investigación, publicados recientemente (Cruz del Alamo y col., 2017), muestran como el contactor biológico rotativo con el sistema de bio-oxidación soportado permitió un tratamiento eficaz del agua residual. Los rangos de eliminación de materia orgánica residual fueron de 82 ± 12% (en Carbono Orgánico Total), y del 61 ± 21% y 70 ± 5% para el nitrógeno y el fósforo. Estos resultados son comparables a los obtenidos en sistemas convencionales de depuración de agua (Tchobanoglous et al. 2002; Rodriguez-Garcia et al. 2011).

En cuanto a la eliminación de fármacos, 11 de los 12 fármacos estudiados presentaron porcentajes de eliminación entre el 50 y el 95 %, destacando compuestos como el diclofenac o la carbamazepina, con eliminaciones medias del 51 y 61%. Estas eliminaciones son muy superiores a las obtenidas en el tratamiento biológico convencional de depuradoras urbanas, donde se consideran normalmente refractarios al tratamiento biológico. Los valores de eliminación del sulfametoxazol (86 %), gemfibrozil y antipirina (entre 60 y el 80%), también fueron superiores a los obtenidos habitualmente en depuradoras urbanas. Al mismo tiempo, el reactor mantuvo elevados valores de eliminación de ibuprofeno y cafeína (80-100%), resultados esperables dada la elevada biodegradabilidad de estos fármacos (Martin et al. 2012; Verlicchi et al. 2013; Bollmann et al. 2016; Han-Tran and Yew-Hoong Gin 2017; Thiebault et al. 2017).

La mejora en la actividad en comparación con los sistemas de tratamiento convencionales basados en fangos activos, se debe a la generación de un cultivo mixto de hongo/bacteria sobre la superficie de los discos del contactor rotativo. Las especies pueden convivir en las condiciones de operación, y su presencia conjunta produce un efecto sinérgico en términos de eficacia de depuración.

Por último, el exceso de biomasa residual generada se sometió a ensayos de producción de biogás mediante digestión anaerobia, obteniendo una producción de metano de 250 mL por g de sólido, superior a la obtenida en digestión anaerobia de fangos residuales procedentes de los reactores de fangos activos de las depuradoras urbanas convencionales.

Todo esto hace que el sistema propuesto, basado en bio-oxidación avanzada con T. versicolor soportado en un contactor biológico rotativo, sea una alternativa viable para el tratamiento de estos contaminantes emergentes y en general de las aguas residuales urbanas.

• Bollmann AF, Seitz W, Prasse C, Lucke T, Schulz W, Ternes T (2016). Occurrence and fate of amisulpride, sulpiride, and lamotrigine in municipal wastewater treatment plants with biological treatment and ozonation. J Hazar Mater 320:204-215 doi: doi.org/10.1016/j.jhazmat.2016.08.022
• Cruz del Álamo A, Pariente MI, Vasiliadou IA, Padrino B, Puyol D, Molina R, Martínez F (2017). Removal of pharmaceutical compounds from urban wastewater by an advanced bio-oxidation process based on fungi Trametes versicolor immobilized in a continuous RBC system. Environ Sci Pollut Res doi: 10.1007/s11356-017-1053-4
• Gómez-Toribio V, García-Martín AB, Martínez MJ, Martínez AT, Guillén F (2009). Enhancing the Production of Hydroxyl Radicals by Pleurotus eryngii via Quinone Redox Cycling for Pollutant. Appl Environ Microbiol 75:3954-3962 doi:10.1128/AEM.02138-08
• Han-Tran N, Yew-Hoong Gin K (2017). Occurrence and removal of pharmaceuticals, hormones, personal care products, and endocrine disrupters in a full-scale water reclamation plant. Sci Tot Environ 599-600:1503-1516 doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.05.097
• Marco-Urrea E, Radjenović J, Caminal G, Petrović M, Vicent T, Barceló D (2010). Oxidation of atenolol, propranolol, carbamazepine and clofibric acid by a biological Fenton-like system mediated by the white-rot fungus Trametes versicolor. Water Res 44: 521-532 doi:10.1016/j.watres.2009.09.049
• Martin J, Camacho-Muñoz D, Santos JL, Aparicio I, Alonso E (2012). Occurrence of pharmaceutical compounds in wastewater and sludge from wastewater treatment plants: Removal and ecotoxicological impact of wastewater discharges and sludge disposal. J Hazard Mater 239-240: 40-47 doi: 10.1016/j.jhazmat.2012.04.068
• Rodriguez-Garcia G, Molinos-Senante M, Hospido A, Hernández-Sancho F, Moreira MT, Feijoo G (2011). Environmental and economic profile of six typologies of wastewater treatment plants Water Res. 45:5997-6010 doi: 10.1016/j.watres.2011.08.053
• Tchobanoglous G, Stensel HD, Tsuchihashi R, Burton FL (2002) Wastewater engineering: treatment and reuse, Metcalf and Eddy Inc, 4th edn. McGraw-Hill Education, New York
• Thiebault T, Boussafir M, Le Milbeau C (2017). Occurrence and removal efficiency of pharmaceuticals in an urban wastewater treatment plant: Mass balance, fate and consumption assessment. J Environ Chem Eng 5:2894-2902 doi: 10.1016/j.jece.2017.05.039
• Verlicchi P, Galleti A, Petrovic M, Barcelò D, Al Aukidy M, Zambello E (2013). Removal of selected pharmaceuticals from domestic wastewater in an activated sludge system followed by a horizontal subsurface flow bed — Analysis of their respective contributions. Sci Total Environ 454:411-425 doi: 10.1016/j.scitotenv.2013.03.044