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Tratamiento de efluentes con PFAS

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INTRODUCCIÓN

Las sustancias denominadas PFAS, están formadas por un amplio grupo de productos químicos sumamente estables. Estos productos se han fabricado y utilizado en una gran variedad de industrias de todo el mundo desde la década de 1940.

Las PFAS se hallan en una amplia gama de productos que los consumidores utilizan diariamente como baterías de cocina, cajas de pizza y repelentes de manchas. La mayoría de los consumidores ha estado expuesta a estos compuestos durante muchos años.

Ciertas PFAS pueden acumularse y permanecer en el cuerpo humano largo tiempo. Existe evidencia de que la exposición a las PFAS puede causar efectos perjudiciales a la salud.

Los agentes químicos de PFAS más estudiados son el PFOA y el PFOS; los estudios en animales de laboratorio indican que estos agentes químicos pueden causar efectos adversos en los sistemas reproductivos e inmunitarios, así como en el desarrollo, y en órganos como el hígado y los riñones.

Ambos agentes químicos han causado tumores en los animales. Las averiguaciones más evidentes en las personas expuestas son los mayores niveles de colesterol.

En muchas industrias de cromado de los Estados Unidos, inicialmente, los PFAS se introdujeron como una solución preventiva ambiental para el cromo en los humos; pero, posteriormente, se determinó que el PFAS era dañino, tanto para el medio ambiente como para la salud humana.

Estudios recientes han demostrado consecuencias alarmantes a la exposición al PFAS, incluido el impacto perjudicial para el crecimiento y el aprendizaje en los niños, y mayores riesgos de cáncer

Muchas compañías renunciaron voluntariamente al uso de PFAS en 2002, y esto fue seguido globalmente por muchas compañías en 2015; desde entonces, las fábricas de protección superficial ya no usan PFAS y PFOS, pero el problema radica en las aguas superficiales y subterráneas contaminadas que necesitarán ser bombeadas y tratadas.

Para estas empresas de aguas debe cumplir con los estrictos límites de descarga de aguas pluviales y subterráneas para PFAS. Estos se aplican en todos los ámbitos, a nivel nacional en los EE. UU, así como en diferentes estados que tienen límites que, en muchos casos, son aún más estrictos.

¿Qué son las PFAS?

Las sustancias perfluoroalquiladas (PFAS) son compuestos químicamente sintetizados que consisten en una cadena alquílica hidrofóbica fluorada de longitud variable, con un grupo final hidrofílico.

Debido a este carácter anfifílico, estas sustancias presentan una gran estabilidad química y térmica, así como una elevada actividad superficial.

Por todo ello, las PFAS tienen un amplio uso en aplicaciones industriales y de consumo que incluyen revestimientos antimanchas de tejidos y moquetas, pinturas y barnices, muebles, zapatos, revestimientos lipofóbicos destinados a productos de papel aptos para el contacto con los alimentos, espumas extintoras, tensioactivos para pozos de extracción minera o petrolífera, abrillantadores de suelos y fórmulas de insecticidas.

Un subgrupo importante son los agentes tensioactivos orgánicos perfluorados, al que pertenecen los sulfonatos de perfluorooctano (PFOS) y el ácido perfluorooctanoico (PFOA)

Estructura química:

Tratamiento de efluentes con PFAS

Existen muchas otras PFAS en uso dentro de nuestra economía, como los agentes químicos GenX y los PFBS.

GenX es la marca comercial de una tecnología utilizada para fabricar fluoropolímeros de alto rendimiento (por ej., algunos revestimientos antiadherentes) sin usar ácido perfluorooctanoico (PFOA).

El ácido dímero de óxido de hexafluoropropileno (HFPO) y su sal de amonio son los agentes químicos principales asociados con la tecnología GenX.

Los agentes químicos GenX se han encontrado en el agua superficial, el agua subterránea, el agua potable, el agua de lluvia y las emisiones al aire en algunas áreas.

¿Como afectan las PFAS al medio ambiente y a la salud humana?

Los PFAS se han fabricado y utilizado en una gran variedad de industrias en todo el mundo. Los Estados Unidos los viene utilizando desde la década de 1940. 

De estos agentes químicos, el PFOA y el PFOS han sido los más producidos y estudiados. Ambos son sumamente persistentes en el medio ambiente y en el cuerpo humano; es decir, que no se degradan y pueden acumularse con el paso del tiempo.

Existe evidencia de que la exposición a los PFAS puede causar efectos perjudiciales en la salud humana. Los PFAS pueden encontrarse en:

  • Alimentos envasados en materiales que contienen PFAS, procesados con equipo que utilizó PFAS, o cultivados en tierra o con agua contaminados con PFAS.
  • Productos domésticos comerciales, como telas repelentes de manchas y agua, productos antiadherentes (como Teflon), compuestos para pulir, ceras, pinturas, productos de limpieza y espumas para combatir incendios (una importante fuente de contaminación del agua subterránea en los aeropuertos y bases militares donde se realiza el entrenamiento para combatir incendios).
  • Lugares de trabajo, como plantas de producción o industrias que utilizan PFAS., como por ej.: cromados, fabricación de productos electrónicos o recuperación de petróleo.
  • Agua potable, comúnmente localizada y asociada con una planta específica (por ej.: fabricantes, relleno sanitario, plantas de tratamiento de aguas residuales, centros de entrenamiento para bomberos).
  • Organismos vivos, como peces, animales y seres humanos, donde las PFAS pueden acumularse y persistir con el paso del tiempo.

Debido a un uso tan extendido, se han detectado los PFOS y el PFOA, sus sales y precursores, en el medio ambiente, los peces, las aves y los mamíferos.

Los PFAS se han estado fabricando durante más de 50 años en una gran variedad de productos de consumo, así como en aplicaciones agrícolas, lo que ha llevado a su dispersión por el medio ambiente, entrando en la cadena alimentaria hasta que se incluyeron en el Anexo B del Convenio de Estocolmo en 2010, quedando restringido su uso de acuerdo con una lista definida de aplicaciones.

Aunque su producción se ha limitado a nivel mundial, su liberación al medioambiente se produce principalmente por la aportación de productos tratados con PFAS, o por el desecho inapropiado de productos que los contienen.

Los PFAS suponen un riesgo sanitario. La preocupación por sus efectos adversos en la salud pública surgió tras varios estudios de experimentación en animales que indicaban que estas sustancias tenían indicios toxicológicos: hepatotoxicidad, efectos negativos en el desarrollo y en el comportamiento, inmunotoxicidad, afectación en la reproducción y en el pulmón, efectos hormonales, así como potencial genotóxico y carcinogénico, aunque no está demostrado que estos resultados tengan implicaciones para la salud humana.

Según la EFSA (European Food Safety Autority), la dieta es la principal fuente de exposición humana a las PFAS, en particular el pescado y los productos de la pesca y los productos cárnicos (hígado principalmente); pero existen otras fuentes de exposición no alimentarias, como la contaminación del aire, que también contribuyen a la exposición total, como es el caso de los PFOA.

Existen otras vías de exposición menos importantes, como el agua de proceso para PFOS y PFOA o los utensilios de cocina antiadherentes y los materiales de envasado de los alimentos (las bolsas de palomitas para microondas, por ejemplo) para el caso del PFOA.

La EFSA concluyó en 2008 que es improbable que la población media en Europa pueda sufrir efectos negativos para la salud derivados de la exposición en la dieta a estos contaminantes y que solo algunos altos consumidores de pescado podrían exceder ligeramente el valor de referencia toxicológico para PFOS.

Tratamiento de efluentes con PFAS

Algunas de las PFAS fueron consideradas durante el año 2010 en el Convenio de Estocolmo, el instrumento más ambicioso a nivel internacional para regular y controlar los COP (Contaminantes Orgánicos Persistentes), cuyo objetivo es proteger la salud humana y el medio ambiente, firmado en el año 2001.

La Unión Europea y todos sus Estados Miembros firmaron el Convenio y, para garantizar la aplicación coherente y eficaz de las obligaciones contraídas con arreglo al mismo, se estableció a nivel europeo el Reglamento 850/2004, de 29 de abril de 2004, sobre contaminantes orgánicos persistentes.  

La EFSA, en su opinión científica sobre PFAS de 2008, recomendaba recopilar más datos de estas sustancias en alimentos para poder mejorar la precisión del cálculo de exposición a través de la dieta en el futuro.

En este sentido, la Comisión Europea publicó la Recomendación 2010/161/UE con el objeto de vigilar la presencia de algunas de estas sustancias en una amplia variedad de alimentos.

En el último informe de EFSA sobre PFAS, en 2012, se recopilaron más de 54.000 resultados analíticos de PFAS procedentes de 13 países europeos (entre ellos, España) recogidos durante el periodo 2006 a 2012.

De las 27 sustancias incluidas en la evaluación de exposición, la proporción de resultados cuantificados fue muy baja, es decir, que los niveles de estos contaminantes encontrados en los alimentos fueron muy reducidos.

EFSA, como se ha dicho anteriormente, confirmó el escaso riesgo para la salud por la exposición de la población debida la presencia de estas sustancias en la dieta.

Posteriormente y debido a la gran cantidad de sustancias perfluoroalquiladas, sus precursores y las sustancias derivadas de ellos, desde EFSA se publicó en 2014 un informe científico relativo a la toxicidad oral de estos compuestos en animales y humanos, en forma de revisión sistemática de la literatura científica actual, que sin duda ayudaría a los organismos evaluadores del riesgo de estos compuestos a nivel mundial como la Subdirección General de Promoción de la Seguridad Alimentaria.

La EFSA estableció una dosis diaria tolerable (TDI) de 150 ng/kg de peso corporal para los PFOS y una TDI de 1500 ng/kg de peso corporal para PFOA, que es la cantidad máxima que puede ingerir diariamente una persona durante toda su vida sin provocar efectos adversos en la salud.

La Comisión Europea recomienda utilizar los métodos de muestreo y análisis armonizados en la UE para dioxinas y PCBS como referencia para el control de las PFAS, establecidos en el Reglamento (UE) 589/2014 de la Comisión. Los criterios de rendimiento para el método de análisis de estas sustancias están recogidos específicamente en la Recomendación 2010/161/UE.

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Tratamiento de efluentes con PFAS

Los procesos convencionales de tratamiento de aguas residuales son efectivos para muchos productos químicos PFAS al separarlos en los fangos, lo que representa un desafío, pues estos agentes aparecen en una amplia variedad de productos químicos, con más de 3.000 compuestos individuales.

De estos, solo 24 se miden de forma rutinaria. No es inusual que uno o más de estos compuestos tengan concentraciones más altas en un efluente tratado contenga más PFAS que en el influente a tratar.

El proceso de tratamiento permite que algunos de los miles de PFAS potencialmente presentes se transformen o degraden en uno de los que se cuantifican entre los habituales.

Una estrategia para abordar este problema de tratamiento es minimizar la cantidad de PFAS que acceden al proceso de tratamiento de la PTAR. Se han llevado a cabo investigaciones en algunos estados para identificar y abordar las fuentes de PFAS.

Una vez identificado, el procedimiento se puede aplicar a través del programa de permisos de pretratamiento industrial (IPP) para requerir a las industrias que reduzcan o eliminen estos PFAS antes de descargarlos en el sistema de alcantarillado.

Estos requisitos adicionales de pretratamiento a las fuentes industriales podrían tener consecuencias económicas para la comunidad e implicaciones operativas para la PTAR, lo que significa que esta estrategia debe ser cuidadosamente considerada y respaldada con datos de muestreo. Otra estrategia potencial es emplear tecnología de tratamiento adicional para eliminar el PFAS antes del acceso.

Hasta la fecha, los proveedores de agua potable han utilizado el carbón activado granular (GAC) y la ósmosis inversa (RO) como las estrategias de tratamiento más efectivas, pero ambas tecnologías son costosas de implementar. Estas soluciones o alguna de sus variantes también se han probado en el tratamiento de aguas residuales.

Es evidente que estas técnicas aún dejarán a la empresa de servicios públicos con el problema de la eliminación de material contaminado, pues únicamente constituyen técnicas separativas. También existen técnicas destructivas, como la oxidación electroquímica y la incineración, que descomponen la estructura química del PFAS; sin embargo, la mayoría de estos métodos se encuentran en la etapa de investigación y desarrollo, en una fase de prueba piloto a pequeña escala, y en el caso de incineración, tienen un costo prohibitivo.

Presencia en los lodos de las aguas residuales

Se han encontrado PFAS en lodos biológicos de aguas residuales y gran parte de estos lodos se procesan y aplican en terrenos con destino agrícola. La aplicación a la tierra es mutuamente beneficiosa: la PTAR tiene un método rentable para eliminar los fangos, mientras que el agricultor enriquece su suelo con nutrientes; sin embargo, la aplicación de lodos municipales a la tierra puede ser una fuente potencial de contaminación por PFAS en los acuíferos a través de la percolación de estos campos, de acuerdo con algunas investigaciones realizadas.

Aunque actualmente no hay normas que regulen los niveles de PFAS en los fangos biológicos. La mayoría de los países están adoptando controles en los lodos procedentes de depuradoras, comenzando con la recopilación de datos sobre PFAS en biosólidos (Michigan y Maine, por ejemplo).

Como se señaló anteriormente, el Plan de Acción de USEPA y el proyecto de ley de la Cámara de Representantes incluyen planes para clasificar el PFAS como sustancias peligrosas.

Esta acción podría afectar en gran medida la capacidad de eliminar de manera rentable los biosólidos que contienen PFAS mediante la aplicación en tierra.

Tanto la Asociación Nacional de Agencias de Agua Limpia (NACWA), como la Water Environment Federation (WEF) y la Water Research Foundation (WRF), están investigando activamente el tratamiento de PFAS en aguas residuales y caracterizando el riesgo potencial para la salud humana de estos fangos utilizados como abonos para la agricultura.

Protección de los suministros de agua potable

Las aguas naturales superficiales a menudo se utilizan como fuentes de abastecimiento público de agua. El efluente de la EDAR que contiene altos niveles de PFAS que se descargan aguas arriba de una toma de agua potable puede representar una amenaza para los consumidores aguas abajo.

La eliminación efectiva de PFAS en el agua potable requiere las mismas costosas tecnologías utilizadas para eliminarlos de las aguas residuales, utilizando la misma estrategia de limitar las descargas a la PTAR mediante el control en la entrada. también se puede implementar una medida adicional de protección para los suministros públicos de agua potable limitando los PFAS en las descargas aguas arriba.

En la misma línea se puede emplear un mecanismo similar, a través de un programa de protección en la boca del pozo, para proporcionar una mejor protección de los suministros públicos de agua subterránea.

Opciones de tratamiento existentes para aguas contaminadas con PFAS

El tratamiento del agua contaminada con PFAS antes de la descarga a las fuentes receptoras reducirá su acumulación en los sistemas de agua. Los métodos de eliminación de PFAS industrializados actualmente para las aguas contaminadas se basan en tecnologías de adsorción física, como el carbón activado granular (GAC) y las resinas de intercambio iónico (IX); y en filtraciones con membranas semipermeables de alta presión, tales como nanofiltración (NF) u ósmosis inversa (RO).

Aunque se está trabajando en técnicas avanzadas de oxidación, estas aún no son comerciales y podrían tener un precio muy alto de energía. La selección de un método de tratamiento apropiado requiere consideraciones cuidadosas basadas en la química específica del agua, la eliminación de contaminantes y la calidad requerida del agua tratada.

En el tratamiento de aguas residuales industriales, la composición de las aguas residuales es más compleja que la del agua potable e incluye a otros contaminantes además de PFAS. Las características de estos contaminantes afectarán a la selección del método a utilizar, el tamaño del sistema de tratamiento y los costos de explotación. Por ejemplo, el lixiviado de los vertederos tiene contaminantes orgánicos, inorgánicos y volátiles, además de PFAS, que requieren eliminación.

Cada una de estas tecnologías de tratamiento tiene sus ventajas e inconvenientes, entre los que mencionamos:

Carbón activado granular (GAC)

Ventajas

  • Reduce el nivel de PFAS a ng / L en el agua potable.
  • Es efectivo para la eliminación de PFAS de cadena larga.

Inconvenientes

  • Fugas de PFAS de cadena corta, en particular y reemplazo frecuente de las cargas de GAC de los filtros.
  • No es rentable para aguas que contienen otros compuestos orgánicos ya que el GAC no es selectivo y se saturará parcialmente con ellos.
  • No elimina los compuestos inorgánicos.
  • El GAC es un consumible muy costoso por el propio coste del material, la mano de obra para su carga y descarga y el coste energético para su regeneración térmica.

Resinas de intercambio iónico

Ventajas

  • Efectivas para la eliminación de PFAS aniónicos y de cadena larga a nivel ng / L.
  • Mayor capacidad de adsorción y cinética de reacción significativamente más rápida en comparación con GAC.

Inconvenientes

  • No son efectivas para aguas residuales que contienen altos niveles de TDS y / o materia orgánica natural.
  • Menos afinidad por el PFAS de cadena corta.
  • Se requiere incineración o regeneración de resina de intercambio iónico.

Nanofiltración y ósmosis inversa

Ventajas

  • Efectivas tanto para PFAS de cadena corta como de cadena larga.
  • Capaz de y tratar todo tipo de agua contaminada con PFAS.
  • Alto caudal de carga.
  • Se puede asociar con un pozo de eliminación (común en América del Norte) para eliminar permanentemente las salmueras de PFAS.

Inconvenientes

  • Posible ensuciamiento de la membrana al tratar compuestos inorgánicos.
  • Gestión de salmuera concentrada, que se puede conseguir mediante un alto rendimiento de recuperación para minimizar el volumen de la salmuera separada, controlando que no se genere precipitación e incrustación.

Un proceso de eliminación de PFAS puede integrar múltiples tecnologías, por ejemplo, un proceso de ósmosis inversa aguas arriba con un alto caudal de carga seguido de un paso de pulido aguas abajo de GAC o resina IX para cumplir con los estrictos requisitos de calidad del agua.

Otras tecnologías para el tratamiento de aguas residuales con PFAS

Las tecnologías de separación física (GAC, resina IX, NF o RO) no destruyen el PFAS, sino que solo las separan del agua contaminada en los materiales adsorbentes o en una salmuera concentrada. La eliminación de absorbentes contaminados con PFAS o salmuera concentrada con PFAS puede plantear una contaminación secundaria.

Las tecnologías para la degradación permanente de PFAS se basan en la incineración de alta energía u oxidaciones avanzadas, incluida la oxidación electroquímica, el tratamiento térmico con microondas, la degradación fotolítica, la pirólisis y la sonoquímica. Estas vías de degradación extremas de PFAS son muy costosas, especialmente cuando el volumen y el caudal de las aguas residuales de PFAS son grandes.

Lo ideal es usar otras tecnologías relativamente rentables para reducir primero el volumen de aguas residuales con PFAS, y luego concentrar los PFAS hasta su concentración más alta permitida junto con la eliminación de contaminantes. Las aguas residuales altamente concentradas de PFAS pueden ser transportadas a un pozo para su almacenamiento bajo tierra, o someterse a su destrucción final por degradación especializada en PFAS.

Los nuevos avances en tecnologías de desalinización (ósmosis inversa de presión ultra elevada, descarga mínima de líquido (MLD) y descarga cero de líquido (ZLD) con un sistema evapo – cristalizador de los que dispone Condorchem Envitech.

El proceso Extreme Reverse Osmosis pueden ayudar a reducir económicamente el volumen de aguas residuales con PFAS y concentrarlas en un nivel que antes era inalcanzable.

La evaporación a vacío: Una solución para el tratamiento de las PFAS

Una empresa de revestimiento industrial con sede en Michigan (EE. UU.) tuvo un problema con los PFAS en su proceso de aguas residuales y las aguas subterráneas no tratadas Esta fábrica utilizó la tecnología DCP de cromado diamante desde los años 50.

Dentro de su proceso, los tensioactivos con PFAS formaban una capa flotante en las cubas de cromado y se empleaban para suprimir las emisiones gaseosas de cromo hexavalente, compuestos orgánicos volátiles y otros contaminantes, que luego eran arrastrados a los baños de enjuague y a los sistemas de alcantarillado sanitario y pluvial y de ahí se filtraban a los acuíferos subterráneos.

El caudal del efluente a tratar fue de 6000 galones por día, y el objetivo del tratamiento consistía en lograr una descarga a vertido cero, a la vez que se obtenía un condensado de calidad suficiente como para ser reutilizada en el proceso industrial. Condorchem Envitech, recomendó un proceso basado en la evaporación a vacío, utilizando un equipo evaporador Envidest MVBR FF de película descendente y circulación forzada, mediante compresión mecánica de vapor.

Esta tecnología optimiza el intercambio de calor con el que se consigue un importante ahorro en el consumo de energía. El proceso también permite la descarga automática y el sistema de vacío del evaporador con limpieza automática dentro del propio evaporador.

Tratamiento de efluentes con PFAS

Los sistemas de evaporación pueden integrarse como parte de una solución completa para eliminar estos contaminantes y concentrados, al tiempo que se recupera agua limpia para reutilizar y garantiza que las empresas cumplen con estas estrictas regulaciones ambientales.

Condorchem Envitech es una empresa de ingeniería ambiental con más de 25 años de experiencia en la industria del agua, en particular, especializada en tecnologías de concentración para tratar las corrientes de aguas residuales más difíciles.

Uno de los principales beneficios de los equipos de Condorchem es el hecho de que, como cada aplicación es diferente, CE tiene completa flexibilidad con su estudio y diseño. La idea es proporcionar una solución completa para cada problema de efluentes.

Para los diseños de Condorchem se tienen en cuenta cuestiones como el espacio interno para la aplicación, días de funcionamiento, el caudal y la variedad de vertidos a tratar.

Condorchem Envitech tiene más de 400 proyectos en todo el mundo, más de 200 logran la descarga cero de líquidos. El objetivo es siempre dar la mejor solución técnica al precio más ajustado, con la mejor calidad en sus equipos.

Resumen

Las PFAS se han usado desde los años 50. La producción de PFOS se inició en 1948, y hasta el año 2000 este compuesto se ha estado utilizando en grandes cantidades, tanto para generar líquidos inertes de baja tensión superficial, como para superficies sólidas con propiedades específicas.

Estas sustancias son muy resistentes a la degradación y por ello útiles en procesos en los que se utilizan altas temperaturas o que están en contacto con bases o ácidos fuertes. Pero es debido a esta resistencia por lo que se han acumulado a lo largo del tiempo y son causa de una alta peligrosidad tanto a nivel medioambiental como para los seres humanos.

Se llevaron a cabo estudios con animales que demostraron que es un contaminante global, persistente y acumulativo, cuyos niveles puedes ser preocupantes en un futuro próximo. Esto generó una gran alerta en la comunidad y puso en alerta a las diferentes agencias reguladoras.

A las tradicionales soluciones económicamente viables de la separación de las PFAS con membranas de osmosis inversa (RO), adsorción en carbón activo granular (GAC) y separación con resinas de intercambio iónico (IX), se han unido otras como la evaporación a vacío, que permiten concentrar más los residuos de estos contaminantes, a unos costes de implementación y explotación competitivos.

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Referencias bibliográficas e información en Internet

https://espanol.epa.gov/espanol/informacion-basica-sobre-pfas

http://www.newmoa.org/events/docs/241_213/CrimiPFASWebinarDec2106.pdf

https://www.tekcrispy.com/2018/10/10/solucion-tratar-aguas-pfas/

https://es.wikipedia.org/wiki/Sustancias_perfluoroalquiladas

Sergi Tuset - CEO Condorchem Envitech
CEO, Condorchem Envitech

Sergio Tuset es el CEO de Condorchem Envitech, con más de 20 años de experiencia en la gestión de compañías industriales.

Especialmente enfocado en proyectos medioambientales para clientes, es un reconocido especialista en ingeniería conceptual aplicada a tratamiento de aguas residuales, tratamiento de residuos sólidos y líquidos y tratamiento de emisiones.

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