Los contaminantes emergentes son sustancias químicas y microorganismos no monitorizados comúnmente en el medio ambiente, pero tienen el potencial de causar efectos adversos en la salud humana y los ecosistemas. Este grupo diverso incluye productos farmacéuticos, productos de atención personal, compuestos endocrinos, pesticidas y productos químicos industriales. Su creciente detección en corrientes de aguas residuales se ha convertido en una preocupación crítica para las instalaciones de tratamiento de agua en todo el mundo, ya que los métodos de tratamiento tradicionales no son adecuados para eliminarlos.

Comprender el tratamiento secundario de las aguas residuales

El tratamiento secundario de aguas residuales representa la etapa biológica del proceso de tratamiento, tras la sedimentación primaria. Su objetivo principal es eliminar la materia orgánica disuelta y suspendida, nutrientes como nitrógeno y fósforo, y patógenos. Esta etapa se basa en microorganismos que consumen contaminantes orgánicos bajo condiciones controladas. Los sistemas más comunes incluyen lodos activados, filtros de engatusamiento, contactores biológicos rotativos y reactores de cama móvil.

Los sistemas de lodos activados aeran aguas residuales para promover el crecimiento de un floco microbiano que metaboliza material orgánico. Los filtros de tripulación utilizan una cama de medios, como rocas o plástico, sobre los cuales los escabulos de aguas residuales, permitiendo biopelículas microbianas degradar contaminantes. Los MBBR combinan el crecimiento suspendido y los procesos de biopelícula utilizando pequeños portadores de plástico que proporcionan superficie para biofilms mientras se mantienen.

El tratamiento secundario está diseñado para alcanzar estándares de calidad efluentes que reducen la demanda bioquímica de oxígeno (BOD) y sólidos totales suspendidos (TSS) a niveles seguros para el descarga en los cuerpos de agua naturales o para un tratamiento más avanzado. Sin embargo, la presencia de compuestos orgánicos traza y otros contaminantes emergentes puede interrumpir este delicado equilibrio biológico.

La naturaleza de los contaminantes emergentes

Los contaminantes emergentes pueden clasificarse ampliamente en varios grupos basados en su origen y estructura química:

  • ]Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs): Incluye antibióticos, analgésicos, hormonas, protectores solares y fragancias. Estos son excretados o lavados y entran en sistemas de alcantarillado.
  • ] Productos químicos que desperdician la endocrina (EDCs):] Como el bisfenol A (BPA), los ftalatos y los noilos, que interfieren con los sistemas hormonales en la vida silvestre y los seres humanos.
  • Sustancias per- y polifluoroalquil (PFAS):] Se utilizan en revestimientos no-adhesivos, espumas de lucha contra incendios y textiles resistentes al agua. Son extremadamente persistentes y bioacumulativos.
  • Pesticidios y químicos industriales: Incluyendo herbicidas, insecticidas, plásticos y retardantes de la llama.
  • Nanomateriales y microplásticos: Pequeñas partículas de productos de consumo y procesos industriales que pueden llevar a otros contaminantes.

Muchos de estos compuestos no están regulados bajo estándares de calidad del agua, y sus efectos a largo plazo sobre los ecosistemas y la salud humana siguen siendo estudiados. A menudo están presentes en concentraciones de trazas (ng/L a μg/L), lo que complica tanto la detección como la remoción.

Impactos en los procesos de tratamiento secundario

Interferencia con la actividad biológica

Los microorganismos en los sistemas de tratamiento secundario son los obstáculos de degradación de la materia orgánica. Sin embargo, muchos contaminantes emergentes son biológicamente activos por el diseño. Los antibióticos, por ejemplo, pueden inhibir o matar selectivamente especies bacterianas sensibles, alterando la estructura de la comunidad microbiana. Esto puede reducir la capacidad del sistema de tratamiento para eliminar la DBO y los nutrientes, lo que conduce a una calidad efluente más pobre.

Los compuestos antimicrobianos como triclosan (una vez que son comunes en los jabones) han demostrado reducir las tasas de nitrificación en las plantas activadas de lodos. Las bacterias nitrificantes son particularmente sensibles a las conmociones tóxicas de los residuos farmacéuticos. Un estudio publicado en Tecnología Ciencia y Tecnología ambiental reportó que ciertos fármacos antiinflamatorios no este tipo de inhibición respiratoria no esteroides (inflamatorios)

Persistencia y desafíos de eliminación

Muchos contaminantes emergentes son recalcitrantes, lo que significa que resisten la biodegradación durante el tratamiento secundario convencional. Los compuestos del PFAS, por ejemplo, tienen fuertes bonos de carbono-fluorina que no se rompen fácilmente por procesos biológicos ordinarios. Los estudios muestran que los sistemas de lodos activados suelen eliminar menos del 50% de muchos tipos del PFAS, con un PFAS de menor cadena a menudo más persistente que los de cadenas largas.

La persistencia de estos compuestos suscita preocupación por su acumulación en el medio ambiente. Incluso en concentraciones bajas, la exposición crónica puede causar trastornos endocrinos en los peces y otros organismos acuáticos. Además, la presencia de antibióticos en los efluentes puede promover el desarrollo de bacterias resistentes a los antibióticos y genes de resistencia, una creciente amenaza de salud pública reconocida por la Organización Mundial de la Salud (OMS).

Algunos contaminantes también pueden transformarse en metabolitos más tóxicos durante el tratamiento biológico. Por ejemplo, ciertas fragancias como los almizcles sintéticos pueden transformarse en formas más persistentes y bioacumulativas. Esto complica las evaluaciones de riesgos y demuestra que la medición simple de la eliminación de compuestos de los padres no puede capturar el riesgo completo.

Efectos en el manejo y eliminación de lodos

Los contaminantes emergentes no sólo afectan el flujo líquido; también pueden dividirse en lodos (biosólidos) generados durante el tratamiento secundario. Los compuestos hidrofóbicos como triclosan, BPA y algunos pesticidas tienden a adsorb en la fracción sólida. Cuando los biosólidos se aplican a la tierra agrícola como fertilizante, estos contaminantes pueden entrar en el suelo, ser tomados por cultivos, o lixiviados en las nuevas regulaciones para la exposición bios.

Además, la presencia de agentes antimicrobianos en lodos puede inhibir los procesos de digestión anaeróbica utilizados para la estabilización de los lodos, reducir la producción de biogás y aumentar los costos operacionales. Los operadores pueden necesitar ajustar los tiempos de retención o aplicar medidas de tratamiento previo para mitigar estos efectos.

Estudios de Casos e Investigación

Varios estudios han documentado los impactos del mundo real de contaminantes emergentes en el tratamiento secundario. Una revisión integral en Investigación del agua analizada datos de más de 100 plantas de tratamiento de aguas residuales (WWTPs) en Europa y Norteamérica. Descubrió que mientras que los lodos convencionales activados podrían eliminar más del 80% de algunos compuestos como acetaminofeno y cafeína, las tasas de eliminación de lodos fueron activadas

Otro estudio realizado en un WWTP en Suecia investigó el efecto de los antibióticos en la nitrificación. Los investigadores observaron que los picos en la concentración de ciprofloxacina correlacionados con caídas temporales en la eficiencia de la eliminación de amoníaco, que requieren la suplementación química para mantener el cumplimiento.

La extracción microplásica durante el tratamiento secundario es también un área creciente de investigación. Un estudio de la Universidad de Toronto encontró que los procesos de lodos activados eliminan aproximadamente el 90% de los microplásticos de la influencia, pero el 10% restante (que puede ser billones de partículas por día) se descargan en aguas receptoras. Además, los microplásticos pueden adsorbar otros contaminantes, actuando como vectores de compuestos tóxicos.

La persistencia del PFAS ha llevado a un creciente escrutinio regulatorio. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha establecido asesores sanitarios para ciertos PFAS en agua potable y está considerando límites de descarga de aguas residuales más estrictos. Investigaciones recientes indican que el tratamiento secundario convencional logra una eliminación mínima del PFAS, con saldos masivos a menudo sin mostrar degradación significativa, sólo partición entre fases líquidas y sólidas.

Mitigation Strategies

Procesos de oxidación avanzados (AOPs)

Para superar las limitaciones del tratamiento biológico, muchas instalaciones están integrando procesos avanzados de oxidación ya sea como paso terciario o directamente dentro del tren de tratamiento secundario. Los COP como el ozono (O3) combinados con peróxido de hidrógeno (H2O2), fotolisis ultravioleta (UV) y las reacciones Fenton producen radicales hidroxiles altamente reactivas que pueden romper incluso los contaminantes orgánicos más persistentes.

Adsorption Technologies

El carbono activado, tanto en formas en polvo (PAC) como en granular (GAC) es ampliamente utilizado para adsorb contaminantes orgánicos. El PAC puede ser dosificado directamente en la cuenca de lodos activado, integrando con el tratamiento biológico existente. Los filtros GAC, a menudo colocados después de la aclaración secundaria, proporcionan un paso de pulido que captura compuestos de traza residual.

Bioreactores de Membrane (MBR)

Los biorreactores de membrana combinan el tratamiento biológico con la filtración de membrana (microfiltración o ultrafiltración). La membrana conserva la biomasa y la materia particulada, permitiendo concentraciones de biomasa más altas y tiempos de retención de lodos más largos, condiciones que favorecen el crecimiento de bacterias de crecimiento lento capaces de compuestos recalcitrantes degradantes.

Optimización del proceso y Bioaugmentación

La regulación de los parámetros operativos puede mejorar la resiliencia de los procesos biológicos. El aumento del tiempo de retención de lodos (SRT) permite que los microorganismos se adapten y degradan lentamente compuestos biodegradables. Mantener niveles de oxígeno disueltos más altos y optimizar las ratios de nutrientes también apoyan la salud microbiana. La bioaugmentación —la adición de cepas microbianas con capacidades de degradación conocidas— ha mostrado promesa en estudios de plaguicidas

Control y Pretratamiento Fuente

La prevención de la entrada de los contaminantes emergentes en sistemas de aguas residuales en primer lugar es una estrategia rentable, que puede incluir programas de recuperación farmacéutica, restricciones al uso de ciertos productos químicos en productos de consumo (por ejemplo, la prohibición de microsellados en cosméticos), y requisitos de pretratamiento industrial. Los hospitales y industrias que descargan altas cargas de productos farmacéuticos o químicos pueden ser necesarios para instalar sistemas de tratamiento in situ.

A menudo es necesaria una combinación de estos enfoques. Las instalaciones de tratamiento pueden necesitar implementar un sistema multi-barrera que incluya tratamiento biológico, AOPs y adsorción para gestionar eficazmente la diversidad de contaminantes emergentes.

Marcos de regulación y vigilancia

Normas actuales

La mayoría de los países regulan los contaminantes convencionales en los efluentes de aguas residuales, como la DBO, la TSS y los nutrientes, pero pocos tienen límites específicos para los contaminantes emergentes. La Unión Europea, a través de su Directiva Marco de Agua, ha incluido ciertas sustancias prioritarias en su lista de relojes, como el diclofenac y algunas hormonas, que exigen que los Estados miembros los supervisen directamente.

Sin conductores regulatorios, los servicios públicos pueden carecer de financiación e incentivos para mejorar los procesos de tratamiento. Sin embargo, la creciente evidencia de daño ecológico, junto con la presión pública, está impulsando a los reguladores a considerar nuevas normas. En 2021, la Comisión Europea propuso una revisión de la Directiva de Tratamiento de las Aguas Residuales Urbanas que incluye requisitos para eliminar micropollutantes y mejorar la eficiencia energética.

Future Directions

Los avances en la química analítica, como la cromatografía líquida-espectrómetro de masas detandem (LC-MS/MS), permiten la detección de contaminantes en concentraciones extremadamente bajas, lo que permite una supervisión más completa y una evaluación de riesgos. Sin embargo, la detección de todos los posibles contaminantes es poco práctica. Un enfoque líder es el uso de la vigilancia basada en los efectos, medición de la actividad biológica del compuesto efluente (por ejemplo, la calidad de la toxicidad).

Es probable que los marcos reguladores se evolucionen hacia enfoques más holísticos basados en el riesgo, teniendo en cuenta los efectos acumulativos de las mezclas contaminantes. Se está estudiando el concepto de "impresuración química" y el uso de normas de calidad ambiental (EQS) adaptadas a condiciones específicas.

Mirando hacia arriba

Los contaminantes emergentes representan un reto complejo y cambiante para los procesos secundarios de tratamiento de aguas residuales. Su capacidad de interferir con el tratamiento biológico, persisten a través de procesos convencionales y acumularse en el medio ambiente exige una respuesta proactiva. Las estrategias más eficaces combinan el control de fuentes, la optimización de procesos y tecnologías avanzadas como los AOPs, el carbono activado y los bioreactores de membrana.

Las utilidades también deben considerar el comercio económico y energético. Las ventajas para el tratamiento avanzado pueden ser costosas, y las demandas energéticas de tecnologías como la ozonación y la UV pueden contravenir objetivos de reducción de carbono. Soluciones emergentes como los AOPs impulsados por energía solar, eliminación biológica de PFAS mediante vías de enzimas específicas, y sistemas de monitoreo inteligente que predicen cargas contaminantes ofrecen caminos prometedores hacia adelante.

La colaboración entre investigadores, ingenieros, reguladores y el público es clave. Al mantenerse informado sobre los últimos hallazgos e invertir en infraestructura de tratamiento resistente, el sector del agua puede mantenerse por delante de la marea contaminantes emergentes y asegurarse de que las aguas residuales tratadas sean seguras para el medio ambiente y para aplicaciones de reutilización.

Para más información sobre este tema, la EPA proporciona recursos sobre Contaminantes de la preocupación emergente, y la OMS ha publicado informes sobre Resistencia antimicrobiana en aguas residuales. Además, revistas académicas como ] Investigación del agua publican regularmente tecnologías de mitigación de pares