| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| WASTEWATER TREATMENT BY MEMBRANE-BASED SYSTEMS: REMOVAL OF EMERGING CONTAMINANTS AND WATER REUSE USING RECYCLED MEMBRANES | | Autor/a | Pompa Pernía, Anamary | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Molina Martínez, Serena | | Codirector/a | Landaburu Aguirre, Junkal | | Fecha de defensa | 22-05-2025 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | La escasez de agua es un desafío global creciente y, para 2050, se estima que miles de millones de personas residirán en regiones con estrés hídrico. Factores como el cambio climático, el crecimiento poblacional y la contaminación intensifican el problema, afectando particularmente a áreas vulnerables como el Mediterráneo. En respuesta a esta problemática, han surgido diversas soluciones para abordarla, entre las que destacan la desalinización y la regeneración de aguas residuales.
La desalinización es un proceso ampliamente utilizado para proveer de agua potable y agua de procesos en zonas con importante escasez hídrica. La regeneración de aguas residuales, por su parte, permite la reutilización y consecuente reducción del consumo de agua potable para actividades como el riego de cultivos y además ofrece una fuente alternativa de nutrientes. Así, la recuperación de sustancias como el nitrógeno permite aprovechar el agua residual no sólo como un recurso hídrico sino también como una fuente de elementos esenciales. Sin embargo, esta práctica enfrenta desafíos, principalmente debido a problemáticas tan variadas como las cargas salinas presentes en las aguas residuales y la emergente presencia de contaminantes tales como micronanoplásticos (MNPs). De estos últimos, especialmente, los plásticos de menor tamaño (nanoplásticos, NPs) presentan una mayor complejidad tanto para su remoción como para su análisis (detección y cuantificación), debido a las bajas concentraciones en masas de aguas y las limitaciones de las técnicas de análisis actuales.
Para el desarrollo y la implantación de ambos procesos: desalinización y tratamiento de aguas residuales, la tecnología de membranas mantiene un papel central en la gestión del agua, evolucionando en su uso e implantación hacia el desarrollo de estrategias más sostenibles en su tratamiento. Un ejemplo de estas estrategias sostenibles es el reciclaje de membranas de Ósmosis Inversa (OI) al final de su vida útil, a través de métodos directos e indirectos. Estos procesos de reciclaje no sólo extienden la vida útil de las membranas, sino que reducen la generación de desechos, alineándose con los principios de economía circular y promoviendo prácticas de gestión del agua más sostenibles. Así mismo, la versatilidad que facilita el uso de las membranas ha permitido, además, la introducción de esta tecnología para el pretratamiento y/o tratamiento de muestras para su posterior análisis. Un ejemplo es el uso de membranas en la concentración de contaminantes como los MNPs en muestras ambientales para la posible detección y cuantificación de los mismos.
Esta tesis explora enfoques innovadores en el tratamiento del agua mediante el uso de tecnología de membranas, empleando membranas recicladas, así como abordando cuestiones críticas en la escasez de agua y la sostenibilidad ambiental. La investigación se centra en tres áreas claves. En primer lugar, se aborda la problemática de la intrusión salina en instalaciones de aguas residuales, lo que confiere un desafío añadido y requiere del desarrollo de alternativas en el tratamiento de aguas residuales, especialmente cuando el agua tratada se destina al riego agrícola. En este contexto, se estudió la factibilidad de implementación de membranas recicladas en procesos de tratamiento de agua residual con alto contenido salino. Para ello, se obtuvieron membranas de nanofiltración recicladas (rNF) y membranas de intercambio aniónico recicladas (rAEM) a partir de membranas de OI descartadas al final de su vida útil. Estas membranas recicladas fueron empleadas en el tratamiento de aguas residuales urbanas con alto contenido salino para el riego de cultivos. Las membranas rNF demostraron un alto rechazo selectivo de iones divalentes, mientras que las rAEM mostraron tasas de desmineralización comparables a las membranas comerciales en sistemas de electrodiálisis. Ambos sistemas produjeron efluentes adecuados para el riego, como se validó en un estudio de cultivo de lechugas.
Por otro lado, en esta tesis se estudia la problemática emergente de los NPs en aguas residuales, cuya presencia y comportamiento en los sistemas de tratamiento es una preocupación creciente, abordando dos aspectos complementarios. En primer lugar, se evaluó el comportamiento de diferentes membranas en la concentración de NPs con el objetivo de identificar la membrana más adecuada para una etapa de pretratamiento de muestras para su posterior detección y cuantificación. Para ello, se estudió el comportamiento de diferentes tipos de membranas mediante la filtración de agua tratada con contenido de NPs. Estos plásticos, como el poliestireno (PS), presentan un desafío para las membranas en términos de ensuciamiento y reducción de eficiencia. Por ello, se llevó a cabo un estudio del comportamiento de ensuciamiento de membranas de polietersulfona (PES), celulosa regenerada (CR) y PES reciclada durante la filtración de agua residual tratada que contenía nanopartículas de PS y seroalbúmina bovina (BSA por sus siglas en inglés). Para comprender mejor estos efectos, se empleó la tomografía de coherencia óptica, una técnica que permite observar en tiempo real la formación de ensuciamiento y acumulación de partículas en la superficie de la membrana. Los hallazgos sugirieron que las propiedades de las membranas influyen en la reversibilidad del ensuciamiento, destacando las membranas de CR, las cuales lograron una recuperación total de la permeabilidad tras la limpieza física. De este modo, las membranas de CR resultaron ser las más adecuadas para el pretratamiento de muestras de aguas que contienen poliestireno.
Finalmente, el estudio se extendió al segundo de los aspectos: la remoción de NPs. Se estudió la implementación de biorreactores aeróbios de membrana (BRM) para la remoción de NPs presente en aguas residuales a escala de laboratorio. Se utilizaron membranas comerciales de microfiltración (MF), ultrafiltración (UF) y membranas de UF recicladas. La remoción de PS se monitoreó mediante pirólisis gases-masas (Pyr-GS-MS) en las dos matrices: licor mezcla y permeado. Para el análisis de las muestras de permeado mediante Pyr-GS-MS, se llevó a cabo un paso previo de preconcentración utilizando membranas de CR. Se seleccionaron membranas de CR para este paso de preconcentración ya que en el estudio anterior fueron las más adecuadas por su reversibilidad frente al ensuciamiento. Los resultados mostraron que todas las membranas estudiadas en el sistema BRM lograron una alta eliminación de materia orgánica. Sin embargo, la presencia de PS-NPs tuvo un impacto en el rendimiento de las membranas y en la composición de la comunidad microbiana. Un hallazgo destacable fue que las membranas de UF recicladas demostraron una eficiencia en la remoción de PS comparable a las membranas comerciales, lo que sugiere su potencial como alternativa sostenible en aplicaciones de BRM.
En conclusión, esta investigación contribuye al modelo de economía circular en la tecnología de membranas, ofreciendo soluciones sostenibles para el tratamiento de agua y la recuperación de recursos. Los hallazgos proporcionan información sobre la selección de las membranas adecuadas a cada caso, así como el potencial de las membranas recicladas para enfrentar desafíos en la gestión del agua. |
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