ES2279979T3

ES2279979T3 - Procedimiento y dispositivo para el tratamiento posterior de aguas efluentes de plantas de depuracion.

Info

Publication number: ES2279979T3
Application number: ES03787501T
Authority: ES
Inventors: Peter Gehringer; Hans-Peter Bierbaumer
Original assignee: Mediscan GmbH and Co KG
Current assignee: Mediscan GmbH and Co KG
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2007-09-01
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: EP1527020A2; AU2003257216A8; CN1753837A; US20050167368A1; AU2003257216A1; ATA12342002A; CA2495884A1; ATE350342T1; WO2004016554A3; DK1527020T3; AT411596B; WO2004016554A2; EP1527020B1; CN100463866C; DE50306204D1

Abstract

Procedimiento para el tratamiento ulterior de aguas residuales o para el tratamiento del agua efluente procedente de una planta de depuración o clarificación para aguas residuales municipales, caracterizado por el hecho de que al hacer pasar el flujo de las aguas residuales, que salen de la planta de depuración o clarificación de aguas residuales bajo la forma de un cuerpo líquido continuo únicamente a través del campo o a través del cono de radiación de, al menos, una fuente de radiación ionizante del grupo de las fuentes de radiación, que emiten rayos gamma y radiación de electrones y renunciando a la introducción adicional de ozono y/o oxígeno, se reduce el contenido de este flujo de agua efluente en hormonas o metabolitos de hormonas del grupo de los estranos, en especial de los estrógenos, que tienen una acción endocrina y perjudiciales para el medio acuático.

Description

Procedimiento y dispositivo para el tratamiento posterior de aguas efluentes de plantas de depuración.

La presente invención se refiere a un nuevo procedimiento para el tratamiento ulterior de aguas residuales o para el tratamiento del agua efluente que procede de una planta de depuración o de clarificación para aguas residuales municipales.

En los últimos años se han desplazado crecientemente al punto central del interés de consideraciones ecológicas substancias que producen efectos tóxicos sub-agudos crónicos, como en especial efectos endocrinos. Así, por ejemplo, se han dado a conocer estudios de investigación, que se han propuesto el objetivo de desarrollar métodos, con cuya ayuda se puede determinar la contaminación del medio acuático con substancias que presentan actividad endocrina. Los conocimientos resultantes de los estudios o investigaciones tienen que servir en ultimo término especialmente para la protección de los espacios vitales acuáticos y - con los mismos íntimamente vinculados - de los recursos de agua potable y, por consiguiente, en definitiva también al hombre. Los mecanismos de acción y la cuestión a través de qué componentes del sistema endocrino en animales acuáticos, como en especial peces, se proporciona el efecto endocrino, son objeto de proyectos de investigación en curso, a fin de llegar a resultados con respecto al planteamiento de la cuestión, hasta qué punto debido a la contaminación de aguas residuales puede aparecer una carga de efecto relevante de ecosistemas acuáticos, del agua potable y en consecuencia de ello justamente también de otros productos alimenticios, estando en juego no en último término la cuestión o pregunta con respecto a los efectos crónicos y secuelas en el hombre.

En relación con los efectos de hormonas en aguas residuales permítasenos solo a modo de ejemplo remitir a la Publicación de Routiedge et al. (1998) "identification of Estrogenic Chemicals in STW Effluent.2. In Vivo Responses in Trout and Roach", Environ. Sci. Technol., 32, 1559 - 1565, de la cual se deduce que mediante la introducción de aguas residuales depuradas procedentes de plantas de depuración municipales a ríos, a los mismos, como se puede comprobar, llegan suficientes cantidades de estraños, para provocar en peces efectos endocrinotósicos (STW = Sewage Treatment Work).

Además, se ha de remitir a una publicación, recientemente aparecida, en Water and Wastewater International, Vol. 18, p.5 (febrero 2003), en la que se informa que el estrógeno allí calificado de "endocrine disrupting" se ha inscrito en la lista de las sustancias cancerígenas del "National Toxicology Program" de los E.E.U.U.

Estudios de investigación propios han aportado el resultado más bien inesperado de que en el curso del tratamiento en sí muy costoso e intensivo de aguas residuales municipales en plantas de depuración de aguas residuales en grandes ciudades prácticamente no se efectúa desintegración o sólo sumamente modesta de las hormonas de actividad endocrina (humanas), como en especial aquellas procedentes del grupo de los estraños, a productos de desintegración, que no presentan ya, en definitiva, una acción endocrina.

Así pues, estas sustancias de la clase de las hormonas, como se ha descubierto, apenas son biológicamente desintegrables y, por consiguiente, deja la planta de depuración de aguas residuales en el agua efluente depurada prácticamente en unas concentraciones, en las que hoy como antes son altamente efectivas.

En atención a la problemática todavía apenas valorada, en modo alguno completamente expuesta más arriba en su amplitud e importancia y también en su efecto a largo plazo y con miras a sinergias desventajosas con otras sustancias problemáticas y/o nocivas contenidas en el agua efluente, que también se presentan en pequeñas cantidades, la presente invención se ha planteado la misión de desarrollar un procedimiento, que posibilite lograr la desintegración de sustancias, que tienen una acción endocrina, prácticamente no conseguida en la planta de depuración de aguas residuales, en una misma fase de procedimiento post-conectada o en una fase de tratamiento posterior hasta una medida deseada respectivamente o mostrada o considerada como necesaria desde el punto de vista
ecológico.

Así pues, es objeto de la presente invención un procedimiento del tipo indicado más arriba, el cual presente los rasgos distintivos mencionados en la parte característica de la reivindicación 1.

Antes de que se aborde más detenidamente la invención y sus ventajas, se ha de hacer constar de manera general que ya desde hace bastante tiempo se han dado a conocer - parcialmente también ya absolutamente acreditados por la práctica - procedimientos para aumentar la calidad de aguas residuales "próximas al agua potable", por consiguiente ya a priori bastante puras y en sí - prescindiendo de componentes naturales del agua - las cuales presentan insignificantes cantidades de otras sustancias componentes en cuanto calidad de agua potable - correspondiente a las normas o directrices oficiales prescritas respectivamente, previendo estos procedimientos un tratamiento de las aguas residuales con radiación ionizante, prefiriéndose, por razones del control no problemático y en especial con miras a la posibilidad de una simple "desconexión" de la radiación, sobre todo la utilización de radiación de
electrones.

Se remite, en este sector, en especial a la AT 392 462 C, la cual se refiere a la desintegración de etilenos clorados en aguas residuales limpias, a la AT 405 173 C, que se ocupa de la reducción de los contenidos de triacina-derivados en esta clase de aguas residuales, además a la AT 407 521 C, cuyo objeto radica en la neutralización de sustancias activas gentóxicamente en tales aguas residuales, así como, por último, a la AT 399 863 C, la cual tiene como tema la reducción del número de microorganismos en aguas residuales previstas para fines de agua pota-
ble.

En el caso de todos estos procedimientos se trata del tratamiento de aguas residuales próximas al "status de agua potable", por consiguiente, de aguas residuales con frecuentemente sumamente pequeñas cargas de sustancias nocivas y relativamente pequeñas cantidades de otros componentes, con radiación ionizante.

Es común a todos estos procedimientos que la desintegración de sustancias nocivas o la inactivación de microorganismos se efectúa mediante los radicales del agua formados en agua merced a la acción de radiación ionizante, como los radicales así formados son extremadamente reaccionables, no sólo reaccionan en deseada forma con sustancias nocivas o microorganismos, sino también con casi todas las sustancias componentes del agua existentes todavía en el agua. De ello resulta que la eficiencia de la desintegración de las substancias nocivas o de la inactivación de microorganismos se determina mediante la acción de radiación ionizante en gran medida de las sustancias componentes del agua existentes en el agua y de su concentración. Como la concentración de estas sustancias componentes es esencialmente más baja en aguas residuales potables que en las aguas residuales efluentes de plantas de depuración, se presentan en el tratamiento de agua potable mediante radiación ionizante especialmente favorables condiciones para una desintegración exitosa de substancias nocivas peligrosas o para la inactivación de micro-
organismos.

Por lo que respecta al estado de la técnica, representado mediante las cuatro memorias de patente anteriormente indicadas, en el terreno de la preparación de agua potable, se ha de advertir muy especialmente que allí la desintegración exitosa de las substancias nocivas en las aguas residuales cargadas con ellas en modo alguno se consigue mediante un tratamiento de las aguas residuales efluentes con radiación ionizante únicamente, sino sólo por el hecho de que - adicionalmente a la acción de la radiación ionizante - al mismo tiempo está prevista la introducción de ozono en el agua a llevar a calidad de agua potable, a fin de lograr el éxito, perseguido de acuerdo con las memorias descriptivas consignadas más arriba, de una desintegración oportuna, importante, de las susodichas substancias perjudiciales o nocivas.

Con respecto al fondo tecnológico en el sector del tratamiento de aguas residuales hay que remitir, además, a la DE 25 46 756 C, la cual tiene por objeto la higienización de lodos de depuración municipales por medio de radiación de electrones en un canal de paso, para la reducción del extremadamente elevado número de microorganismos, contenidos allí.

De conformidad con esta memoria de patente - evidentemente también allí por razones de la eficiencia demasiado baja de la radiación ionizante sola - está prevista una introducción adicional de oxígeno en el lodo de depuración expuesto a esta radiación, atribuyéndose allí la eficiencia propiamente dicha de la introducción de oxígeno que se realiza con carácter adicional, al ozono formado en parte por este oxígeno mediante la radiación aplica-
da.

Una higienización de lodos de depuración mediante irradiación ya se realizó en Geiselbullach, Alemania, técnicamente, utilizándose ciertamente radiación gama. Tampoco en el caso de la irradiación beta de lodos de depuración se pudo prescindir, por razones económicas, a una introducción adicional de oxígeno del aire en el lodo de clarificación o depuración a tratar.

En la EP 0 031 785 A se da a conocer un procedimiento, siendo de advertir, sin embargo, que allí esta prevista una característica adicional, esencial para el éxito positivo, a saber, con carácter adicional a la irradiación del medio líquido a tratar, totalmente distinto, con radiación ionizante, está previsto un barrido forzoso del mismo con ozono en la fase gaseosa y/o en agua enriquecida con ozono (agua fuerte).

También según US 3,901,807 A está prevista forzosamente, para la reducción de "actividad microbiana y química" en aguas residuales, que contienen microorganismos y otras impurezas - como complemento a la irradiación de las mismas con electrones de alta energía - su barrido con un gas, que introduce oxígeno en el agua a
tratar.

En atención a la necesidad reconocida como indispensable tanto en la mejoría de aguas residuales a la calidad de agua potable como también en la higienización de lodos de clarificación, de una acción simultánea de radiación ionizante y ozono u oxígeno para el logro del objetivo perseguido de la desintegración de substancias nocivas o de la inactivación de microorganismos aportaron los ensayos detallados, indicados más arriba, y los estudios de investigación en aguas residuales efluentes, que proceden de plantas de tratamiento de aguas residuales, el siguiente sorprendente conocimiento.

Las sustancias nocivas, contenidas en las mismas dentro del rango nanograma-por-litro mantenidas ampliamente intactas por el proceso precedente de tratamiento de aguas residuales, como precisamente en especial las mencionadas hormonas - que en el agua efluente se presentan en una matriz "consumidora" de la mayor parte de la energía de radiación inesperadamente y que presenta unos comparativamente muy altos contenidos de sustancia orgánica, como, por ejemplo, un valor CSB de más de 100 mg/L y un valor TOC de 30 hasta 40 mg/L - ya no pueden desintegrarse o degradarse en evidentemente substancias activas endocrina o estrógenamente, mediante la acción de radiación ionizante sólo y renunciando a cualquier introducción simultánea adicional de ozono y/o oxígeno y sin ninguna otra adición, que favorezca la desintegración de sustancia orgánica así como sin otra medida, que apoye esta desintegración, en una manera absolutamente efectiva.

Además, se ha averiguado sorprendentemente que la radicación ionizante, y precisamente sin ayuda de ozono y/o oxígeno, con la dosis de radiación empleada respectivamente para la reducción de los contenidos de hormonas presentes en la respectiva agua efluente - sin menoscabo de la desintegración hormonal pretendida en primer lugar - también es capaz de reducir también el número de microorganismos, especialmente del grupo de las bacterias coliformes, en el agua efluente en considerable medida.

Por lo que respecta a la dosis de radiación, a introducir favorablemente en el cuerpo líquido de agua efluente para una desintegración efectiva de las hormonas - como se ha descubierto - esencialmente independiente de la naturaleza de la radiación - se han de deducir de la reivindicación 2, desde el punto de vista de la economía, los campos preferentes de la dosis de radiación a aplicar. Aplicando estas dosis de radiación se puede lograr una desintegración de hormonas en la escala de hasta tres órdenes de magnitud. En el caso de la utilización de radiación de electrones se ofrecen especialmente para los indicados valores de dosis aceleradores de electrones dentro de un rango de energía de 0,5 hasta 5 MeV.

En un procedimiento según esta reivindicación se puede conseguir, aplicando las dosis de radiación allí indicadas, una desintegración de hormonas hasta por debajo del límite de comprobación analítica alcanzable hoy en día.

El objeto de la reivindicación 3 se refiere a la inesperadamente elevada inactivación de micro-organismos lograda simultáneamente dentro del ámbito de la invención, cuya medida puede situarse absolutamente dentro del rango de 2 hasta 5 potencias de diez, sorprendentemente no deteriorándose debido a esta inactivación la eficiencia de la desintegración de hormonas, como ya queda dicho más arriba.

Por principio es favorable - como se deduce de la reivindicación 4 - preocuparse de una clase de intercambio intensivo de las capas volumétricas, próximas a la fuente de radiación, del cuerpo líquido, que atraviesa su campo o su cono de radiación, con las capas exteriores del mismo o más alejadas de la fuente de radiación.

En el sentido de una exposición lo más posible multilateral del agua efluente frente a la radiación - en consideración de la cantidad extremadamente pequeña de la hormona u hormonas a desintegrar en presencia simultánea de grandes cantidades de substancias matriz en el agua efluente, se ha evidenciado como favorable prestar atención a una circulación turbulenta en el cuerpo líquido del agua efluente, por lo cual se remite en detalle a la reivindicación
5.

La vindicación 6 indica qué forma tiene que presentar de manera favorable el cuerpo líquido en el caso de la utilización de radiación de electrones para la consecución de resultados óptimos de la reducción de hormonas.

En el caso de la utilización de radiación de electrones se ha evidenciado como ventajoso, para la evitación de pérdidas de radiación, que aparecen en el empleo de una cámara de acción de radiación cerrada, equipada con una ventana de radiación, trabajar con una cámara, que no presenta este tipo de ventana respecto a la fuente de radiación, como se ha de deducir de la reivindicación 7.

Por medio de los siguientes ejemplos se explica más detalladamente la invención.

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Ejemplo 1

Para los estudios de investigación descritos en este ejemplo se utilizó un agua efluente producida después de intensas, procedente de una planta municipal de depuración, que presentó los siguientes datos característicos:

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	CSB 124 mg/1;	TOC 37 mg/L;
	BSB_{5} 41 mg/L;	TSS 44 mg/L;
	Total N 38 mg/L;	Total-P 2,4 mg/L

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Además, contenía esta agua efluente estronas en las siguientes concentraciones:

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	estrona 20 ng/L;	17a-estradiol 2,6 ng/L;
	ITb-estradiol 2,3 ng/L;	etinilestradiol 4,2 ng/L estriol 24 ng/L;

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Además, esta agua contenía cantidades todavía considerables de bacterias coliformes, y concretamente:

: 930 000/100 ml coliformes totales;

: 480 000/100 ml coliformes fecales y

: 346 590/100 ml E. coli.

Esta agua se sometió tanto a un tratamiento de irradiación de electrones como también a un tratamiento de irradiación beta. Para la irradiación de electrones se utilizó una instalación de laboratorio ubicada en el Centro de Investigación de Seibendorf, que posibilitó variar entre 1 y 3 mm el espesor de la capa del agua efluente, que atraviesa la cámara de radiación plano prismática. En el suelo de la cámara de irradiación están soldados unos alambres dispuestas en espina de pescado, en la disposición d8 3 mm altura de capa, a fin de aumentar la turbulencia.

El acelerador de electrones, que suministra 500 keV electrones, se accionó con intensidades de la corriente entre 2 y 8 mA, para aplicar las necesarias dosis de rayos, como se puede ver en la siguiente tabla de resultados.

Para la irradiación del agua efluente con radiación gamma se utilizó una célula gamma 220 cobalto 60, de la firma Nordion, Canadá, con una potencia de dosis de unos 0,9 Gy/s.

El estudio investigatorio del agua efluente antes y después de la acción de la respectiva radiación se efectuó en los Laboratorios del Departamento federal del Medio Ambiente en Viena, precediéndose como sigue:

Muestras de 0,1 L respectivamente del agua efluente se dotaron con patrones marcados con isótopos para cada analizado, se purificaron por medio de extracción líquido-líquido, y se enriquecieron los analizados sobre C18-fase sólida. Después de la depuración cromatográfica por columnas (NH2 - fase) y de la derivatización con N-metil-N-trimetilsililtrifloracetamida (MSTFA) se midieron las muestras por medio de cromatografía de gases alta resolución-espectrometría de masa (GC/HRMS) con una resolución de 8000.

Los resultados de la reducción de los contenidos de hormonas en el agua efluente mediante la acción de radiación de electrones así como radiación gamma de diferentes dosis muestra la siguiente tabla 1:

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(Tabla pasa a página siguiente)

1

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2

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Ejemplo 2

Se examinaron química-analíticamente y bioanalíticamente en el Fraunhofer-Instituto Biología Molecular y Ecología Aplicada en Schmallenberg (RFA) muestras del agua efluente procedente de la planta municipal de depuración como en el ejemplo 1, tomadas durante un período de buen tiempo, después de una irradiación de electrones, descrita como en el ejemplo 1, con diferentes altas dosis, como se describe más detalladamente a continua-
ción:

a) Analítica química

: Filtración de todas las muestras mediante filtro de fibra de vidrio;

: Alicuotación de cada 0,5 L muestra y dotación adicional del patrón interno (IS);

: Extracción SPE en Macherey-Nagel CHROMAbOND C18;

: Depuración de los extractos en gel de sílice activado;

: Derivatización (sililifación) con N-metil-N-trimetilsililtrifluoracetamida (MSTFA)

: Medición por medio de Ion Trap-GC/MSIMS;

: Cuantificación por medio de procedimiento de adición estándar en cuatro fases o etapas de concentración (calibración de la matriz con muestra no irradiada).

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b) Bioanalítica

: Comprobación de la actividad estrógena por medio de test receptor de estrógeno - levaduras:

Reacondicionamiento de las muestras

: Filtración de todas las muestras mediante filtro de fibra de vidrio

: Extracción SPE de 1 L muestra en Macherey-Nagel CHROMABOND C18;

: Elución con acetona; reducción al vacío;

: Disolución del residuo en 2 mL etanol.

Test receptor de estrógeno - levadura Organismo del test

: Cepa de levadura modificada gentécnicamente (Saccaromyces cerevisiae), desarrollada por la firma GLAXO Research and Development Limited. La cepa contiene la secuencia ADN del receptor del estrógeno humano (Cup-hER), el plásmido de expresión ERE y el gen indicador lac-Z para la \beta-galactosidasa, mediante cuya actividad se forma un colorante rojo.

Realización

: Según Routledge and Sumpter (Environ. Toxicol. Chem. 15(3), 241-248, 1996) en la modificación de De Boever et al. (2001), Environ Health Perspect 109: 691-69). Por cada extracto de muestra se realizaron dos series de pruebas. Se trazó una curva de efecto con 17 \alpha-etinilestradiol. De los extractos de las muestras se emplearon entre 10 y 70 \mul en el test de levadura.

: La extinción de la actividad enzimática (540 nm) se corrigió en la turbidez (620 nm) (E540/E620) y se refirió a la componente imaginaria o valor en blanco (cociente o valor en blanco componente imaginaria = 1). Los valores así obtenidos se calificaron de "actividad relativa".

: Sedimentos de test, cuyos espesores de célula al final del estas eran menores que las de los controles negativos (blanco), se consideraron como citotóxicos y no se evaluaron. Los equivalentes de etinilestradiol contenidos en las muestras se expresaron para actividades relativas, que se situaban dentro del campo de una correspondiente recta de calibración, y los resultados obtenidos se indican en forma de valores de actividad semicuantitativos (+++++; altamente estrógenoactivo, hasta +: muy bajo estrógeno activo; nd: no detectable, nb: no determinado).

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La siguiente tabla 2 reproduce los resultados de los estudios químico-analíticos bioanalíticos:

TABLA 2

3

Claims

1. Procedimiento para el tratamiento ulterior de aguas residuales o para el tratamiento del agua efluente procedente de una planta de depuración o clarificación para aguas residuales municipales, caracterizado por el hecho de que al hacer pasar el flujo de las aguas residuales, que salen de la planta de depuración o clarificación de aguas residuales bajo la forma de un cuerpo líquido continuo únicamente a través del campo o a través del cono de radiación de, al menos, una fuente de radiación ionizante del grupo de las fuentes de radiación, que emiten rayos gamma y radiación de electrones y renunciando a la introducción adicional de ozono y/o oxígeno, se reduce el contenido de este flujo de agua efluente en hormonas o metabolitos de hormonas del grupo de los estranos, en especial de los estrógenos, que tienen una acción endocrina y perjudiciales para el medio acuático.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que al exponer el cuerpo líquido del flujo de agua efluente, el cual atraviesa el campo de radiación, con unos contenidos totales inicialmente presentes de hormonas del grupo de los estranos de hasta 250 ng/L con una dosis de radiación de 300 a 5000 Gy, con preferencia de 500 a 3000 Gy, y en especial de 500 a 2500 Gy, el contenido total de estas hormonas en el cuerpo líquido se reduce a unos valores de actividad de los estrógenos que ya no se pueden detectar por medio de tests bioanalíticos, en especial por medio de tests a base de receptores de estrógenos sobre levaduras.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que al exponer el flujo de agua efluente a una dosis de radiación, que se mantiene siempre esencialmente constante dentro de los límites indicados en la reivindicación 2, el contenido del agua efluente en bacterias coliformes se reduce en, al menos, una potencia de diez simultáneamente con la reducción del contenido de esta agua de efluencia en hormonas del grupo de los estranos.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que, dentro del cuerpo líquido del flujo de agua efluente, el cual atraviesa el campo de radiación, la zona del volumen del cuerpo líquido vuelta hacia la fuente de radiación se mezcla con un grado de mezclado elevado con la zona del volumen de dicho cuerpo líquido opuesta a la fuente de radiación en el ámbito de acción de la radiación ionizante.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que, dentro del cuerpo líquido del flujo de agua efluente, que atraviesa el campo de radiación, se genera una turbulencia en el ámbito de acción de la radiación ionizante por medio de unas estructuras internas generadoras de turbulencias dentro de una célula de paso, que define el cuerpo líquido, y/o por medio de, al menos, un elemento o cuerpo agitador rotativo dispuesto dentro del mismo o de la misma, de preferencia accionado sin contacto.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que, en el caso de la utilización de radiación de electrones, el flujo de agua efluente se lleva a la forma de un cuerpo líquido plano estratificado, que atraviesa el cono de radiación del acelerador de electrones transversalmente, con preferencia esencialmente en sentido perpendicular a la dirección de radiación.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que el cuerpo líquido del flujo de agua efluente se desplaza o se guía dentro del ámbito de acción de la radiación con una superficie de líquido libre en dirección de la fuente de radiación o de las fuentes de radiación.