Procesos Avanzados de Oxidación para la degradación de índigo y materia orgánica de aguas Residuales de una Industria textil

Abstract

La industria textil genera altos impactos ambientales debidos esencialmente al uso y la gestión del agua. El impacto ambiental negativo de sus efluentes líquidos es muy heterogéneo, por la gran diversidad de materias primas, reactivos (colorantes, auxiliares, agentes dispersantes y humectantes) y los procesos de producción que los involucra. El alto consumo de agua genera un gran volumen de aguas residuales con un carácter bio-recalcitrante asociado con la estructura compleja de diferentes contaminantes persistentes. Dichos efluentes se caracterizan por su elevada demanda química de oxígeno (DQO), contener materia orgánica no biodegradable y tóxica, alto contenido en color, y pH variable.

El uso de métodos de tratamiento innovadores, como los Procesos Avanzados de Oxidación, PAO´s (v.g., oxidación anódica, fotocatálisis heterogénea, procesos Fenton, entre otros), ha sido eficiente para la mineralización de contaminantes orgánicos persistentes. Esto debido a su capacidad para generar especies reactivas de oxígeno, principalmente el radical ●OH. Sin embargo, los PAO´s involucran alto consumo de energía y/o reactivos, son relativamente costosos o inestables, y no siempre son capaces de eliminar todos los compuestos recalcitrantes. En consecuencia, el desarrollo de nuevas tecnologías “amigables” con el ambiente, capaces de mineralizar la materia orgánica no biodegradable, se ha convertido en un desafío urgente para la academia y la industria.

Con el objetivo de establecer un sistema de tratamiento ambiental y economicamente eficiente para la degradación de aguas residuales industriales contaminadas con el colorante índigo, en esta investigación se evaluaron los siguientes procesos: Coagulación Química (CQ), Electro-Coagulación (EC), Fenton (F), Foto-Fenton (FF) y Electro-Oxidación (EO), y los procesos secuenciales: CQ+F, CQ+FF, CQ+EO, EC+F, EC+FF, EC+EO. Su análisis experimental se enfocó en la degradación de la materia orgánica recalcitrante y el incremento de la biodegradabilidad del agua residual textil

Inicialmente, se realizó la caracterización del efluente industrial en términos de su carga de materia orgánica (DQO ≈ 860 mg/L, DBO5 ≈ 150 mg/L, y COT ≈ 225 mg/L), biodegradabilidad (DBO5/DQO ≈ 0.17, que implica que no es biodegradable), color (barrido espectral entre 200-700 nm, la máxima absorbancia a 660 nm, correspondiente principalmente al colorante índigo), toxicidad (mortalidad de la Artemia salina = 100%), distribución de pesos moleculares y contenido de sólidos (sólidos totales y turbidez).

Después de comparar cada uno de los sistemas de tratamiento evaluados, el proceso secuencial CQ+F fue la alternativa óptima. Su implementación para el tratamiento de las aguas residuales bajo estudio garantiza: la degradación total del color; la degradación de DQO y COT en 75% y 67%, respectivamente; aumento de la biodegradabilidad hasta 0.41, y disminución de la toxicidad en un 90%. Los costos operacionales totales se estimaron en 1.24 USD/m3. Estas características viabilizan esta alternativa de tratamiento desde el punto de vista ambiental, técnológico y económico. Por consiguiente, fue seleccionado para su diseño conceptual detallado.

The textile industry generates high environmental impacts due essentially to the use and management of water. The negative environmental impact of its liquid effluents is very heterogeneous, due to the great diversity of raw materials, reagents (dyes, auxiliaries, dispersing agents and humectants) and the production processes involving them. The high water consumption generates a large volume of wastewater with a bio-recalcitrant character associated with the complex structure of different persistent pollutants. These effluents are characterized by their high chemical oxygen demand (COD), containing non-biodegradable and toxic organic matter, high color content, and variable pH.

The use of innovative treatment methods, such as the Advanced Oxidation Processes, AOPs (e.g., anodic oxidation, heterogeneous photocatalysis, Fenton processes, among others), has been efficient for the mineralization of persistent organic pollutants. This is due to its ability to generate reactive oxygen species, mainly the radical ● OH. However, the AOPs involve high energy consumption and/or reagents, are relatively expensive or unstable, and are not always able to eliminate all recalcitrant compounds. Consequently, the development of new “friendly” technologies with the environment, capable of mineralizing non-biodegradable organic matter, has become an urgent challenge for academia and industry.

In order to establish an environmentally and economically efficient treatment system for the degradation of an industrial wastewater contaminated with the indigo dye, in this investigation the following processes were evaluated: Chemical Coagulation (CQ), Electro-Coagulation (EC), Fenton (F ), Photo-Fenton (FF) and Electro-Oxidation (EO), and the sequential processes: CQ + F, CQ + FF, CQ + EO, EC + F, EC + FF, EC + EO. Its experimental analysis focused on the degradation of recalcitrant organic matter and the increased biodegradability of textile wastewater

Initially, the industrial effluent was characterized in terms of its organic matter load (COD ≈ 860 mg / L, BOD5 ≈ 150 mg / L, and TOC ≈ 225 mg / L), biodegradability (BOD5/COD ≈ 0.17, which means no biodegradable), color (spectral scan between 200-700 nm, maximum absorbance at 660 nm, corresponding mainly to indigo dye), toxicity (mortality of saline Artemia = 100%), molecular weight distribution and solids content (total solids and turbidity).

After comparing each of the treatment systems evaluated, the CQ + F sequential process was the optimal alternative. Its implementation for the treatment of the wastewater under study guarantees: total color degradation; COD and TOC degradation equal to 75% and 67%, respectively; increase in biodegradability up to 0.41, and decrease in toxicity by 90%. Total operating costs were estimated at 1.24 USD/m3. These characteristics make this treatment alternative promising from an environmental, technological and economic point of view. Therefore, it was selected for its detailed conceptual design.