Remoción de fármacos en aguas residuales a través de reactores con microorganismos inmovilizados

Proyecto de Graduación (Licenciatura en Ingeniería Ambiental) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Química, 2023.

Esta tesis cumple con el objetivo ODS 6: garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todas las personas. Meta 3: mejorar la calidad del agua reduciendo la contaminación, eliminando el vertimiento y minimizando la emisión de productos químicos y materiales peligrosos, reduciendo a la mitad el porcentaje de aguas residuales sin tratar y aumentando considerablemente el reciclado y la reutilización sin riesgos a nivel mundial.

En Costa Rica se evidenció la ineficacia de las tecnologías de tratamiento de agua residual empleadas para remover fármacos efectivamente, lo que amenaza los ecosistemas y la salud humana. Por lo que en este documento se presenta los hallazgos de la evaluación del uso de reactores con microorganismos inmovilizados para la remoción de fármacos en aguas residuales. Específicamente, se desarrolló un prototipo de reactor aerobio de biopelícula con soportes naturales a escala de laboratorio, a través del diseño, construcción y puesta en marcha. Posteriormente, se evaluó el desempeño del prototipo desarrollado en operación secuencial por lotes para la remoción de fármacos en agua residual. Por otra parte, se evalúo la remoción de fármacos en agua residual a través de lodo aerobio inmovilizado en cápsulas de alginato de calcio, preparadas mediante gelación iónica. Como resultado, se obtuvo un prototipo de reactor aerobio de biopelícula de lecho sumergido con soportes de esponja vegetal a escala de laboratorio de 400 mL de capacidad, costo-razonable y funcional. A través de su uso se observó remoción moderada (50-80%) de acetaminofén y dimetilxantina y elevada (>80%) para la doxiciclina, lovastatina y cafeína. Por otra parte, se presentó una limitada remoción (<40%) de risperidona, cafeína, ketoprofeno, difenhidramina, gemfibrozil y lovastatina, y una remoción moderada (40-55%) de naproxeno, ofloxacina, acetaminofén y 1,7-dimetilxantina mediante el uso del lodo aerobio inmovilizado en las cápsulas de alginato de calcio preparadas. Se concluye que el prototipo desarrollado tiene el potencial de mitigar el riesgo ecológico provocado por la liberación de residuos de lovastatina, cafeína, doxiciclina, 1,7-dimetilxantina y acetaminofén. Mientras que el en capsulamiento de lodo aerobio en cápsulas de alginato de calcio es un método sencillo que puede reducir la amenaza de la liberación de naproxeno, ofloxacina, acetaminofén y 1,7-dimetilxantina al ambiente, por vertido de aguas residuales.

The ineffectiveness of the wastewater treatment technologies used in Costa Rica to remove pharmaceuticals was demonstrated, which threatens ecosystems and human health. Therefore, this document presents the findings of the evaluation of reactors with immobilized microorganisms for the removal of pharmaceuticals from wastewater. Specifically, a prototype of anaerobic biofilm reactor with natural media was developed at laboratory scale, including the design, construction and startup. Subsequently, the performance of the developed prototype was evaluated in sequential batch operation for the removal of pharmaceuticals from wastewater. On the other hand, the removal of pharmaceuticals from wastewater through aerobic sludge immobilized in calcium alginate capsules, prepared by ionic gelation, was also evaluated. As a result, a prototype of a laboratory-scale, cost-effective and functional 400 mL capacity, submerged-bed biofilm aerobic reactor with loofah media was obtained. It was observed moderate removal (50-80%) of acetaminophen and dimethylxanthine and high removal (>80%) of doxycycline, lovastatin and caffeine. On the other hand,limited removal (<40%) of risperidone, caffeine, ketoprofen, diphenhy-dramine, gemfibrozil and lovastatin, and moderate removal (40-55%) of naproxen, ofloxacin, acetaminophen and 1,7-dimethylxanthine were presented by using the aerobic sludge immobilized in the prepared calcium alginate capsules. It is concluded that the developed prototype has the potential to mitigate the ecological risk caused by the release of lovastatin, caffeine, doxycycline, 1,7-dimethylxanthine and acetaminophen residues. While the encapsulation of aerobic sludge in calcium alginate is a simple method that can reduce the threat of naproxen, ofloxacin, acetaminophen and 1,7-dimethylxanthine release into the environment from wastewater discharge.