Efecto de la asociación de coagulación/floculación, cavitación hidrodinámica, ozonización y carbón activado en el sistema de tratamiento de lixiviados de vertedero.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 9502 (2023) Citar este artículo

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Las aguas residuales maduras de los vertederos son un efluente complejo debido a su baja biodegradabilidad y su alto contenido de materia orgánica. Actualmente, los lixiviados maduros se tratan in situ o se transportan a plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR). Muchas EDAR no tienen capacidad para recibir lixiviados maduros debido a su alta carga orgánica lo que conlleva un aumento del coste de transporte a plantas de tratamiento más adaptadas a este tipo de aguas residuales y la posibilidad de impactos ambientales. Se utilizan muchas técnicas en el tratamiento de lixiviados maduros, como coagulación/floculación, reactores biológicos, membranas y procesos oxidativos avanzados. Sin embargo, la aplicación aislada de estas técnicas no logra la eficiencia para cumplir con los estándares ambientales. En este sentido, este trabajo desarrolló un sistema compacto que combina coagulación y floculación (1.ª Etapa), cavitación hidrodinámica y ozonización (2.ª Etapa) y pulido con carbón activado (3.ª Etapa) para el tratamiento de lixiviados maduros de vertedero. La combinación sinérgica de procesos fisicoquímicos y oxidativos avanzados mostró una eficiencia de eliminación de la demanda química de oxígeno (DQO) de más del 90 % en menos de tres horas de tratamiento con el biofloculante PGα21Ca. Además, se logró la eliminación casi absoluta del color aparente y la turbidez. Las DQO remanentes del lixiviado maduro tratado fueron menores en comparación con las aguas residuales domésticas típicas de las grandes capitales (DQO ~ 600 mg L-1), lo que permite la interconexión del relleno sanitario a la red de recolección de aguas residuales urbanas luego del tratamiento en este sistema propuesto. Los resultados obtenidos con el sistema compacto pueden ayudar en el diseño de plantas de tratamiento de lixiviados de vertederos, así como en el tratamiento de efluentes urbanos e industriales que contienen diferentes compuestos de preocupación emergente y persistencia en el medio ambiente.

La gestión de residuos sólidos en Brasil es un problema recurrente, debido a una recolección y tratamiento ineficiente que no cubre a toda la población del país. Según el Sistema Nacional de Información Sanitaria de Brasil (SNIS), en 2020 se recogieron alrededor de 66,6 millones de toneladas de residuos, lo que representa 4,7 millones de toneladas más que en 2017 y un 18% más que en 2010. Este escenario refleja una situación preocupante y Situación urgente que es la importancia del manejo adecuado de los residuos sólidos. Estas cantidades de residuos generados pueden sobrecargar la capacidad de apoyo ambiental1.

Entre los métodos existentes para la disposición final de residuos sólidos, aún se utilizan con frecuencia los rellenos sanitarios debido a sus ventajas económicas y complejidad técnica. Cuando funcionan para recibir residuos sólidos urbanos, los vertederos pueden recibir importantes cargas de materia orgánica, una media del 52% del total, que comienza a sufrir múltiples reacciones de descomposición, influenciadas por la infiltración de agua de lluvia y por procesos bioquímicos en las capas de los vertederos. , formando lixiviados que se filtran a través del sistema. Sin embargo, dentro de este flujo de producción, varios factores pueden influir directa y significativamente en la generación y características del lixiviado, tales como: contenido de agua de los residuos, precipitación, evaporación, composición química de sustancias orgánicas e inorgánicas, temperatura, pH, entre otros1, 2.

Según Mishra et al. (2016), el manejo incorrecto del material lixiviado es uno de los mayores contribuyentes a la contaminación del suelo y de las aguas superficiales y subterráneas, lo que revela la gran necesidad de tratamiento de este material3. Insertado en este escenario, el gran desafío en el proceso de tratamiento de lixiviados es reducir la alta concentración de compuestos orgánicos recalcitrantes, difíciles de degradar biológicamente4. La presencia de estos compuestos se revela por los altos niveles de demanda química de oxígeno (DQO) y la baja relación entre la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y la materia orgánica disuelta (DOM)1,3,5.

Las características fisicoquímicas y las cantidades generadas de lixiviados del vertedero cambian con la edad, donde la producción ocurre debido a cambios entre las fases sólido-líquido-gas dentro del vertedero a lo largo de los años, dando como resultado un lixiviado estabilizado (DBO/DQO < 0,1), con un alta carga de carbono recalcitrante y baja variación en su composición química6. Los lixiviados se clasifican según su edad de la siguiente manera: lixiviados de vertedero jóvenes (< 5 años), lixiviados de vertedero intermedios (entre 5 y 10 años) y lixiviados de vertedero maduros/estabilizados (> 10 años)4,7.

El grado de estabilización del lixiviado del vertedero generalmente se evalúa a través de parámetros como: pH, DBO, DQO, TOC, fracciones solubles e insolubles de materia orgánica (como materiales biodegradables y sustancias húmicas/fúlvicas) y características de la composición del biogás producido ( CO2, CH4), donde el metabolismo microbiano es el principal responsable de alcanzar el potencial de degradación de los residuos depositados en vertederos8,9.

Con el objetivo de cumplir con los estándares de regulación ambiental y minimizar los impactos ambientales generados, a lo largo de los años se han implementado varias tecnologías para eliminar los residuos orgánicos recalcitrantes presentes en los lixiviados de los vertederos. Entre los ejemplos que presentaron mayores eficiencias de tratamiento se encuentran la coagulación/floculación, la oxidación química, la adsorción por carbón activado, los procesos oxidativos avanzados y los procesos que involucran filtración por membrana4,10. Sin embargo, la aplicación aislada de estas técnicas ha demostrado ser insatisfactoria para el tratamiento eficiente de lixiviados de vertederos, requiriendo una combinación sinérgica de estos procesos11,12,13.

Largo y col. (2017) en sus estudios utilizaron cloruro férrico (FeCl3) como coagulante y demostraron una variación en la eliminación de DQO entre 82 y 85%14. Silva et al. (2017) mediante un tratamiento combinado compuesto por tres etapas de preoxidación biológica de lodos activados aeróbicos (coagulación/sedimentación y fotooxidación, a través de un foto-Fenton), alcanzaron concentraciones de DBO inferiores a 150 mg L−1 15. Gautam et al . (2019) lograron en sus estudios la eliminación del 85% en DQO al combinar ozono con peróxido de hidrógeno (H2O2) y persulfato10. En la literatura se observan otros estudios que utilizan la combinación de procesos fisicoquímicos, biológicos y oxidativos para el tratamiento de lixiviados de vertedero, donde los resultados menos expresivos están directamente relacionados con el tratamiento de lixiviados de vertedero estabilizados11,13.

Debido a la presión ambiental para cumplir con estándares extremadamente restrictivos, con el objetivo de alcanzar una calidad del efluente compatible para su reutilización, su lanzamiento en cursos de agua o en sistemas convencionales de recolección de aguas residuales, se hace sumamente necesaria una combinación de técnicas con sinergia para generar una alta eficiencia. Con la evolución de los estudios, los Procesos Oxidativos Avanzados (POA) y la Cavitación Hidrodinámica emergen como estrategias prometedoras para resolver los problemas ambientales y de salud humana de efluentes con alta complejidad de tratamiento16,17,18.

Los Procesos Oxidativos Avanzados, como la ozonización, han avanzado en investigaciones utilizándolos para el tratamiento de lixiviados, pero según estudios publicados, su uso exclusivo no es capaz de lograr resultados satisfactorios en la remoción y tratabilidad de contaminantes19,20. Una forma de potenciar la eficiencia de los tratamientos es utilizarlos junto con otras técnicas, como ejemplo de ello, Feng et al. (2019) utilizaron la ozonización junto con carbón activado y lograron una eficiencia de eliminación de ácidos húmicos del 97%21.

La cavitación hidrodinámica demostró ser una técnica prometedora, utilizada en muchos campos, como desinfección, ruptura de células, tratamiento de lodos, degradación de compuestos orgánicos, sin embargo, el tratamiento de aguas residuales es una práctica reciente y que, junto con otras tecnologías, ha demostrado ser prometedora. en aumentar la eficiencia y reducir los costos de tratamiento22,23,24. Las investigaciones muestran que la aplicación de la cavitación hidrodinámica en el tratamiento de lixiviados de vertederos de forma aislada, a pesar del aumento de la eficiencia de eliminación de DQO, no logró buenos resultados, requiriendo una combinación de técnicas18.

Así, los estudios demuestran que los resultados de rendimiento con la combinación de ozonización y cavitación hidrodinámica son muy prometedores, sin embargo, es necesaria la falta de estudios que puedan demostrar su eficiencia en el tratamiento de lixiviados maduros de vertedero25. El uso conjunto de estas tecnologías mencionadas anteriormente y el beneficio cuando se combinan con la coagulación/floculación son innovadores y necesarios.

El ácido poli-y-glutámico (PGA) encontrado para su comercialización como PGα21Ca, es un biofloculante que, por sus características de ser biodegradable y no causar toxicidad al ser humano y al medio ambiente, ha sido utilizado en varios sectores, entre ellos el tratamiento de agua y aguas residuales26,27,28. Por tanto, como alternativa a los coagulantes no biodegradables, como las sales de hierro y aluminio, el PGA se puede utilizar en el tratamiento de lixiviados de vertederos, algo que no se encuentra en la literatura.

En este contexto, el presente trabajo tiene como objetivo la realización de un estudio sistemático, robusto y detallado del efecto sinérgico obtenido de la combinación de técnicas en el tratamiento de lixiviados estabilizados de vertedero, orientado a reducir el tiempo de tratamiento y aumentar la eficiencia. Además, este trabajo muestra los resultados de la combinación de estas tecnologías, coagulación/floculación (prueba de un biofloculante—PGA), cavitación hidrodinámica, ozonización y la aplicación de carbón activado en el tratamiento de lixiviados maduros de vertedero.

El lixiviado utilizado en este experimento fue recolectado en el relleno sanitario Delta A, en las coordenadas geográficas 22° 54′ 47,53″ S y 47° 8′ 35,55″ W, en el municipio de Sorocaba, São Paulo, Brasil, donde no existe este relleno sanitario. ya no recibe sólidos residuales, por lo que el lixiviado generado puede considerarse estabilizado. El experimento se llevó a cabo en los laboratorios de la Universidad Estatal de Campinas (UNICAMP), São Paulo, Brasil.

Para cumplir con los objetivos de este trabajo, se realizó la caracterización de lixiviados de vertedero entre los años 2018 y 2021 (Cuadro 1), analizando el pH, color, turbidez, conductividad eléctrica (CE) y demanda química de oxígeno (DQO), llevados según lo propuesto por APHA29. Las etapas propuestas para este sistema de tratamiento de lixiviados fueron: 1°—Coagulación/Floculación; 2º—Cavitación Hidrodinámica más Ozonización; y 3º—Carbón Activado, donde se probaron las eficiencias de los pasos según los análisis de color, turbiedad y DQO, realizados de acuerdo con APHA29.

Para cumplir con la 1ra Etapa de este experimento, se probaron cuatro tipos de coagulantes, PGα21Ca, FeCl3, AlCl3 y Al2(SO4)3, considerados estos como tratamientos de este experimento, la dosis aplicada fue de 1 g L−1, variando el pH. entre 4 y 8, manteniendo condiciones de mezclado rápido y lento en un sistema Jar Test. Los resultados en mejores condiciones se utilizaron para la aplicación en el siguiente paso.

En la 2da Etapa se montó un sistema que contiene un reactor de 20 L acoplado a cavitación hidrodinámica, que contiene una bomba de recirculación acoplada a una placa Venturi con orificio concéntrico (10 mm) para extrusión, el sistema también contó con un ozonizador, cuya geometría de aplicación fue adaptado y patentado según el proceso “BR 10 2021 025779 2”, esta metodología utilizada se basó y adaptó de Wu et al. según Bis et al.7,30. La generación de ozono (O3) utilizó el sistema de medición de gases de escape en solución de yoduro de potasio (KI) analizado según el Método Yodométrico 2350 E31. La Figura 1 muestra la ilustración del sistema de 2da etapa.

Sistema de Tratamiento 2da Etapa: (A)—Tanque de almacenamiento de 20 L; (B)—Bomba de recirculación (0,12 HP/3420 rpm); (C): placa Venturi con orificio concéntrico de 10 mm de diámetro; (D): manómetro con presión de funcionamiento de 0,59 bar o 0,61 kgf cm-2; (E)—Generador de ozono alimentado con aire atmosférico. (F): solución de KI (yoduro de potasio) para medición de gases de escape30.

La 2da Etapa fue operada en circuito cerrado (366 mg O3 L−1), por lo tanto, antes de probar el sistema completo (todas las etapas), se realizaron pruebas para definir el tiempo de operación sin aplicación del coagulante, siendo probado 1, 2 , 3, 4, 5 y 6 h, donde después de cada prueba el efluente se pasó por un sistema que simulaba un decantador convencional. Los mejores resultados se aplicaron al sistema completo.

En la 3ra Etapa se aplicó 1 g L-1 de carbón activado en polvo en un sistema de mezclado rápido para mantener el tiempo de contacto, luego de lo cual se pasó por un sistema que simulaba un decanter convencional. Este paso fue el último de este experimento, donde los resultados se utilizaron para definir la eficiencia total del sistema.

Los análisis estadísticos consistieron en pruebas comparativas de tendencias centrales, utilizando el análisis de varianza (ANOVA) seguido de la prueba de Tukey, en la que el nivel de significancia se fijó en 5%, comparando las eficiencias totales del sistema (todos los pasos).

Los lixiviados producidos en vertederos maduros se caracterizan por la considerable diferencia de biodegradabilidad respecto a los lixiviados jóvenes y de mediana edad debido al proceso de estabilización de los residuos sólidos urbanos. El lixiviado maduro generalmente tiene una composición fisicoquímica estable, por ejemplo, una alta concentración de compuestos orgánicos refractarios (por ejemplo, sustancias húmicas y fúlvicas). Debido a estas características, la primera etapa de este trabajo fue caracterizar el vertedero para comprenderlo mejor y definir los métodos de tratamiento adecuados a aplicar. La campaña de muestreo comprendió la estación húmeda y seca a lo largo de 3 años de estudio. En la Tabla 1 se presentan las características fisicoquímicas del lixiviado crudo del vertedero estudiado.

El pH es el parámetro que influye en las condiciones de coagulación/floculación y varió entre 7,9 y 8,5 en lixiviados maduros de vertedero no tratados, condiciones similares se encontraron en otros estudios4,7,32,33,34,35,36,37. Esta baja variación (CV—2,2%) y la tendencia a la basicidad de este efluente es común debido a la estabilización natural que sufre el medio en el tiempo, debido a la disminución de la concentración de ácidos grasos volátiles libres parcialmente ionizados, que son consumidos. por bacterias productoras de metano31. Así, al igual que ocurre con los valores de pH, los resultados obtenidos en el resto de parámetros fueron muy cercanos a estudios con condiciones de estabilización similares, como los realizados en Florida (EE.UU.) y también en Croacia35,38.

El parámetro color (Tabla 1) expresado como color aparente (mg Pt–Co L-1) presentó valores de concentración altos en comparación con diferentes rellenos maduros en la literatura. Como se mencionó, con la edad el vertedero cambia su composición y pasa a estar dominado por compuestos refractarios. El color marrón oscuro (Fig. 2) se debe a la presencia de una alta concentración de compuestos DOM que se correlacionan con la abundancia relativa de sustancias aromáticas y grupos funcionales cromogénicos. La presencia de altas concentraciones orgánicas puede convertirse en un grave problema ambiental, principalmente porque el color dificulta el crecimiento de la vida acuática al disminuir la penetración de la luz solar, perturbando posteriormente la actividad fotosintética. Los valores de color aparente y turbidez son importantes para el proceso de coagulación y floculación debido a la fracción de concentración coloidal en el lixiviado maduro39,40,41,42.

Variación de color de lixiviados de vertedero tras la aplicación de los distintos procesos al utilizar el coagulante Al2(SO4)3. LL, lixiviados de vertedero; HC + O3 1H, cavitación hidrodinámica más ozonización después de una hora de prueba; HC + O3 2H, cavitación hidrodinámica más ozonización después de dos horas de prueba; CA, Carbón activado.

El parámetro de turbidez (Tabla 1) mostró el coeficiente de variación más alto y valores bajos en comparación con otros tipos de aguas residuales (por ejemplo, aguas residuales domésticas). Las bajas concentraciones de partículas coloidales o suspendidas pueden afectar la dosis de coagulante y la neutralización de la carga en el proceso de tratamiento del vertedero. Además, los bajos valores y variación de turbidez pueden estar asociados a las altas concentraciones de color aparente lo que puede afectar las lecturas del método nefelométrico.

Los estudios demuestran que el valor de DQO de los lixiviados de vertedero suele estar por debajo de los 10.000 mg L-1, donde cuanto menor es este valor, más antiguo es el lixiviado4, por lo que el lixiviado estudiado en este trabajo se encuentra en un estado avanzado de estabilización. Después de 10 años, un vertedero estará compuesto por materia orgánica menos biodegradable, influyendo en la DQO del lixiviado para valores inferiores a 4000 mg L-1. Cuando llega a esta etapa, la materia orgánica está compuesta por compuestos orgánicos macromoleculares complejos que presentan importante resistencia a la biodegradación y se caracteriza como un agua residual orgánica refractaria. Por tanto, el lixiviado presentará valores elevados de pH, concentración de nitrógeno amoniacal, baja producción de CH4 y relación DBO5/DQO inferior a 0,137,43,44,45. En el presente estudio se observó una relación DBO5/DQO inferior a 0,06 a partir de la base de datos proporcionada por la empresa encargada del seguimiento del vertedero en estudio.

En consecuencia, para Chen et al. 2020 y Liu 2022, el DOM presentado en el lixiviado maduro tiene una relación carbono-nitrógeno desequilibrada y un alto peso molecular (compuestos de anillos de benceno altamente aromáticos) y un alto grado de compuestos de insaturación que pueden causar una gran dificultad para ser tratados. Los datos observados por Chen et al. 2020, Liu et al. 2022 y Gu et al. 2022 muestra que las clases de compuestos DOM de lixiviados maduros poseen las proporciones relativas de compuestos fenólicos > compuestos alifáticos > polifenoles > aromáticos policíclicos según los diagramas de van Krevelen. Además, Liu et al. 2022 investigó y comparó la distribución del peso molecular de DOM en lixiviados maduros y jóvenes. Los autores concluyen que la distribución del peso molecular de la DOM en el lixiviado maduro era más amplia y contenía más DOM con pesos moleculares superiores a 400 m/z. Mientras que, para el lixiviado joven, el rango de distribución de DOM fue menor y el centro de densidad de la distribución del peso molecular de DOM fue significativamente menor que el del lixiviado maduro39,40,46. Kulikowska & Klimiuk (2008) informan que existe una variación significativa en la calidad del lixiviado producido en diferentes rellenos sanitarios alrededor del mundo, incluso entre aquellos considerados maduros por su composición química, en particular, por compuestos orgánicos y nitrógeno47.

Por lo tanto, las características del lixiviado utilizado en este trabajo (Tabla 1) muestran que los métodos de tratamiento tradicionales reportados en la literatura no son eficientes para tratar este tipo de efluentes, justificando la necesidad de un nuevo proceso de tratamiento basado en la combinación de técnicas avanzadas. para obtener un resultado satisfactorio.

A partir de la caracterización del lixiviado maduro, se optaron por técnicas fisicoquímicas y procesos oxidativos avanzados para evaluar la eficiencia de remoción de las altas concentraciones de DQO y color aparente. Inicialmente, los procesos de coagulación/floculación se probaron utilizando coagulantes químicos tradicionales (AlCl3, Al2SO4, FeCl3) y se compararon con un biofloculante (Poly-Glu—PGα21Ca) propuesto para el tratamiento de lixiviados. De manera similar, se probó la cavitación hidrodinámica asociada con la ozonización y se comparó con la coagulación/floculación en términos de eficiencia de eliminación de DQO y color aparente.

Existen diversos estudios sobre el pH en la optimización de la coagulación en la producción de agua potable y en el tratamiento de efluentes, combinando el pH y las condiciones ideales del sistema con la eficiencia de la eliminación de contaminantes48. Más recientemente, la aplicación de procesos de coagulación/floculación ha demostrado ser un método exitoso para la eliminación de contaminantes que pueden ser adsorbidos por coloides como materia orgánica tóxica, virus y metales. La coagulación/floculación es necesaria para reducir la fracción coloidal, el total de sólidos suspendidos y el color para mejorar la eficiencia del proceso de tratamiento posterior. Los resultados encontrados en este estudio muestran que para FeCl3, AlCl3 y Al2(SO4)3 el valor de pH ideal es cercano a 5.0 y para PGα21Ca el pH ideal sería el rango de 4.0. Las sales trivalentes de aluminio y hierro producen muchas especies por hidrólisis que producen complejos de hidroxióxido metálicos cargados positivamente (p. ej., Al6(OH)153+ y Fe3(OH)45+). Estas especies de hidrólisis actúan sobre la neutralización de carga de coloides cargados negativamente, lo que permite que la fuerza de atracción de Van der Waals induzca la agregación de partículas coloidales para formar flóculos.

Cuando se utilizó FeCl3 la reducción de DQO alcanzó 56.8% y el color 39.5% de eficiencia, con AlCl3 la eficiencia de remoción de DQO fue 62.4% y el color 74.6%, con el coagulante PGα21Ca la remoción fue de 52.5% para DQO y el color 76.3%, y cuando se utilizó Al2(SO4)3 la eliminación de DQO fue del 52,0% y el color del 64,4% en las condiciones de pH indicadas. Diferentes factores tienen impacto en la eficiencia de la coagulación/floculación, como la composición química del coagulante, el pH de la coagulación y la dosis. Para obtener una alta eficacia del tratamiento es obligatorio evaluar la combinación de estos factores. En un estudio realizado en Malasia utilizando sulfato férrico en una prueba de coagulación/floculación de lixiviados de un vertedero, a una dosis de 5500 mg L-1 a pH 6, se logró una remoción del 47% del color en el estudio38 . Esta variación indica que con la prueba de nuevos coagulantes en diferentes dosis es posible mejorar los porcentajes de remoción de color y consecuentemente la DQO en esta etapa38.

Hasta la fecha se reportaron muy pocos estudios sobre la aplicación de PGα21Ca en la coagulación/floculación de lixiviados de vertedero, en un estudio en el tratamiento de aguas residuales provenientes de la producción de almidón de papa, se encontró que el pH igual a 4.0 presentó los mejores resultados. , como este estudio26. En un estudio realizado con vinaza, incluso trabajando con temperaturas superiores a las naturales, demuestran que las mejores condiciones de coagulación con PGα21Ca son con un pH inferior a 4,027. En términos de eliminación de DQO, el PGα21Ca ha mostrado mayor eficiencia que las sales de FeCl3, AlCl3 y Al2(SO4)3. Esto se puede explicar porque PGα21Ca tiene, además de γ-PGA en su composición, sulfatos/carbonatos de calcio y aluminio que actúan como coagulantes auxiliares.

La Tabla 2 presenta los resultados de las pruebas de cavitación hidrodinámica junto con ozonización, sin aplicación de coagulantes para definir el mejor tiempo de operación del sistema. La tabla muestra que el aumento en la eficiencia de eliminación en porcentaje se produjo de manera más significativa entre la 1.ª y la 2.ª hora de la prueba, con un aumento del 15,2% para DQO, del 27,9% para turbidez y del 11,5% para color. La reducción de DQO puede explicarse porque la cavitación hidrodinámica se basa en la formación, crecimiento y colapso de cavidades de vapor inducidas por un dispositivo de flujo restrictivo como una bomba, boquilla de chorro, hélice o placa de orificio49,50,51. A medida que las cavidades colapsan, la formación de burbujas puede alcanzar temperaturas y presiones elevadas. Este proceso, llamado puntos calientes, es capaz de producir turbulencias, radicales libres altamente reactivos y chorros de alta velocidad dentro del fluido. Cuando se asocia a la ozonización, el proceso contribuye a una rápida absorción de las moléculas de ozono en el sistema. El proceso combinado de cavitación con ozono produce radicales ·OH, por lo que puede mejorar significativamente la eficiencia de degradación del proceso18,22,52.

Los incrementos de eficiencia de la 2da a 3ra hora de operación del sistema fueron menores en comparación con el incremento de la 1ra a 2da hora, siendo 5.4% para DQO, 10.8% para turbidez y 3.1%, siendo similar en los demás tiempos probados (Tabla 2). ). Huo et al. informaron observaciones similares. 2008, Gutiérrez-Mosquera et al. 2022 y Wang et al. 2021, lo que puede estar asociado con la disminución del flujo de fluido que hace que el dispositivo de cavitación se llene de agua, lo que provoca una mayor presión estática y el colapso temprano de las cavidades18,22,52. Además, Huo et al. 2008 observó que tiempos operativos más prolongados pueden impulsar la policondesanción aromática, lo que aumenta la humidificación del DOM y provoca un aumento en los valores de DQO en el sistema52. El estudio de Wang et al. 2021 obtuvo datos que muestran que los dispositivos tipo venturi pueden garantizar una mayor velocidad de garganta para una caída de presión determinada, lo que puede generar un número de cavitación más bajo por tiempo operativo22. Después de la segunda hora de tratamiento, las eficiencias de eliminación de los parámetros alcanzaron un estado de mayor estabilidad del sistema donde no se observaron tendencias en la eliminación de materia orgánica. Con estos resultados se definió que el tiempo de operación de la 2da Etapa, cavitación hidrodinámica más ozonización fue de dos horas en las pruebas completas (todas las etapas).

Tras analizar los procesos individualmente, se realizó un estudio para evaluar el efecto sinérgico de los procesos fisicoquímicos y oxidativos avanzados. De los resultados mostrados en la Tabla 3, se puede observar una alta eficiencia de remoción total en la DQO (mayor al 80%) para todo tipo de coagulantes aplicados, también muestra la eficiencia parte de la 2da etapa entre la 1ra y 2da hora de aplicación de cavitación hidrodinámica más ozonización y pulido con carbón activado.

La condición establecida para el proceso de coagulación/floculación contribuyó a la eliminación de sustancias orgánicas y cromaticidad que se puede observar en la reducción de DQO y color aparente. Las diferencias en la eficiencia de eliminación de color y DQO ​​entre los coagulantes utilizados pueden explicarse por la interacción del DOM con diferentes tipos de floculantes. Como afirman Wang et al. Los floculantes de sal de aluminio 2022 eliminan preferentemente los compuestos insaturados más grandes y la sal de hierro puede eliminar los compuestos saturados más pequeños. Esto podría explicar la menor eficiencia del FeCl3 en las condiciones experimentales estudiadas.

La combinación de coagulación/floculación con cavitación/ozonización hidrodinámica fue efectiva para reducir la concentración de materia orgánica refractaria y el color en lixiviados maduros de vertederos. La reducción del color puede estar asociada con la destrucción de cromóforos y grupos auxocromos, y de las estructuras de anillos de benceno que contienen compuestos orgánicos, según lo señalado por Chen et al.39. Además, dado que el ozono es muy eficaz en la oxidación de compuestos aromáticos susceptibles al ataque electrofílico, el proceso de cavitación puede mejorar la interacción del DOM con los radicales ·OH formados en los sistemas, mejorando así significativamente la eficiencia de la degradación.

Entre los coagulantes estudiados, el PGα21Ca fue el que presentó mayor eficiencia total de remoción de DQO del lixiviado crudo, el cual inicialmente tuvo una concentración promedio de 2425 mg L-1 y al final de 183 mg L-1 de DQO, es decir , eficiencia de tratamiento del 92,5%, siendo significativamente diferente a otros coagulantes. El segundo coagulante que mejor desempeño mostró en la reducción de DQO fue el AlCl3 con un 85.7%, seguido del Al2(SO4)3 con un 83.3% y finalmente el FeCl3 mostrando una reducción del 81.7%, sin embargo este no mostró diferencia significativa entre sí (Cuadro 3). ).

Existen registros en la literatura del uso de biofloculantes, como Ocimum basilicum, extraído de la semilla de albahaca, junto con ozono para el tratamiento de lixiviados de vertedero en dosis de 0,2 g O3 L-1 h-1 durante 30 min. La técnica realizada en la provincia de Guilan (Irán), integró coagulación/floculación con ozonización y obtuvo una eficiencia del 87% y 92% de DQO y color, respectivamente53.

A través de los datos de la Tabla 3, se puede observar que los mejores resultados obtenidos para la reducción de color y turbidez se lograron con el uso de PGα21Ca, un compuesto utilizado recientemente en plantas de tratamiento de agua para abastecimiento, con una diferencia significativa al compararlo con el FeCl3. El PGα21Ca es un producto desarrollado por Nippon Poly-Glu Co y obtenido a partir de Bacillus licheniformis y Bacillus subtilis mediante procesos fermentativos. Es una mezcla biofloculante natural que contiene γ-PGA con un producto de reticulación de γ-PGA con la adición de sulfato de calcio, carbonato de calcio, bicarbonato de sodio y sulfato de aluminio. El γ-PGA es un polímero aniónico ideal para la eliminación de coloides y compuestos DOM. Con la adición de especies de alcalinidad y coagulantes, como el aluminio, el PGα21Ca es un floculante versátil y se puede aplicar en una amplia gama de pH. El mecanismo de acción de PGα21Ca puede explicarse en primer lugar por el efecto de aglomeración de partículas y sólidos en suspensión realizado por la presencia de sales de aluminio y luego por el aumento de la interacción y la nucleación coloidal estimulada por γ-PGA. Este proceso permite la formación de agregados más densos y escamas pesadas28,54,55.

Cuando se utilizó FeCl3 los resultados no fueron satisfactorios, y al final el efluente tuvo un aspecto turbio y amarillento, lo que influyó en que su turbidez permaneciera presente incluso después de la adsorción del carbón activado. El resultado de eficiencia de turbiedad del sistema que utilizó FeCl3 fue negativo, pasando de 11.2 a 15.1 NTU, un aumento de 34.5% (Cuadro 3).

Como se muestra, el color del efluente después de usar FeCl3 no fue satisfactorio, pero cuando se observó la eliminación de DQO, el escenario fue diferente. Según Oloibiri et al. (2015) el tiempo requerido para el tratamiento del lixiviado mediante coagulación-floculación, con el coagulante en cuestión, asociado a la adsorción de carbón activado, es de 258 min para lograr una reducción del 53% de DQO33. En cuanto a la combinación de ozonización y adsorción por carbón activado, se necesitaron 240 min para alcanzar una remoción del 77%. En el caso del presente estudio, se necesitaron 200 min para alcanzar una remoción de DQO del 81.7%, es decir, tanto el tiempo como la eficiencia de remoción de materia orgánica fueron superiores al estudio descrito anteriormente.

Como se mencionó anteriormente, el uso del coagulante AlCl3 proporcionó una remoción de DQO del 85,7%, un resultado alto (superior al 80%) en un tratamiento de lixiviados con altos niveles de contaminantes. Un estudio realizado con tratamiento por coagulación y floculación asociado a ozonización, con lixiviados estabilizados y provenientes ya de tratamientos secundarios (anaeróbico y laguna facultativa), la remoción final de DQO fue cercana al 72%, valor inferior al alcanzado por el presente estudio56. En comparación, otro estudio en el tratamiento de lixiviados de vertedero, utilizó coagulación-floculación, con sulfato férrico polimérico (250 mg L-1), combinado con ozonización, al final del proceso se obtuvo una eficiencia de 88,3% de DQO57.

Rivas et al. (2003) realizaron un estudio similar al presente trabajo, el lixiviado utilizado ya había sido sometido al proceso de ozonización, luego pasó por el proceso de adsorción con carbón activado (30 g L−1) durante el período de 120 min, bajo En estas condiciones se alcanzó una eficiencia de eliminación de DQO del 90%. Cabe destacar que en el presente estudio fue posible reducir los valores de DQO en un rango de eficiencia entre 81,7 a 87,2% utilizando sólo 1 g L-1 de carbón activado y 200 min de tratamiento58.

La Figura 2 muestra una imagen del lixiviado crudo y su evolución a medida que avanza el tratamiento, en el que se utilizó Al2(SO4)3 como coagulante y mostró alta eficiencia de remoción en términos de color. La coloración inicial marrón oscuro se puede atribuir a la presencia de sustancias húmicas, las cuales se van perdiendo gradualmente debido a las dosis y tiempo de exposición al ozono, cambiando a un color amarillo claro hasta volverse casi incoloro luego de la aplicación de carbón activado. Esta misma evolución fue observada y reportada en el estudio realizado por Ntampou et al.56.

El trabajo de Gottshalk et al. (2020), Rivas et al. (2003) y Silva et al. (2004) describieron que la remoción de color puede estar relacionada con el ataque directo del ozono a los dobles enlaces de los átomos de carbono ubicados en los grupos cromóforos de los compuestos que componen el lixiviado, además del ataque mismo a los enlaces alifáticos, cetonas y aldehídos58,59,60. En resumen, todos los coagulantes mostraron poca diferenciación en cuanto a la eficiencia de eliminación de los parámetros monitoreados en las pruebas de tratabilidad, con excepción del cloruro férrico, que mostró niveles de eliminación más bajos. Actualmente ha existido preocupación por el manejo de los coagulantes utilizados en el tratamiento de aguas residuales en general (volumen de lodos), sin embargo, los estudios son más completos para los lodos generados en el tratamiento de aguas de abastecimiento, los cuales se sabe que tienen pocos contaminantes tóxicos. En cualquier caso, las formas de gestionar los lodos de coagulación pueden ser el uso como sustrato en la construcción de humedales, materiales de construcción (cerámica, ladrillos y cemento químicos), abacación de Geopolímeros (GP) y eliminación de contaminantes61. La Tabla 4 muestra las eficiencias de los tratamientos de lixiviados de vertederos maduros utilizando procesos que involucran la sinergia de tratamientos fisicoquímicos con procesos oxidativos avanzados.

Se puede observar que la combinación de coagulación/floculación con procesos avanzados de oxaditivos es eficiente para la eliminación de DQO de lixiviados de vertederos maduros con diferentes niveles de DBO5/DQO. Se pueden observar eficiencias de eliminación superiores al 86%; sin embargo, el tiempo de tratamiento, los costos de energía y la infraestructura son factores que deben considerarse al aplicar estos procesos a gran escala.

La combinación y asociación de técnicas de coagulación/floculación, cavitación hidrodinámica, ozonización y carbón activado fueron eficientes para el tratamiento de lixiviados maduros de vertedero con el uso de diferentes coagulantes, con énfasis en PGα21Ca como mayores eficiencias.

Los parámetros operativos definidos en este trabajo muestran que en coagulación/floculación para FeCl3, AlCl3 y Al2(SO4)3 el valor de pH ideal es cercano a 5.0 y para PGα21Ca el pH ideal sería el rango de 4.0. En cavitación/ozonización hidrodinámica, el tiempo de funcionamiento ideal era cercano a las 2 h, siendo la primera hora la que mostraba el mayor aumento de eficiencia.

Los coagulantes evaluados y utilizados en la etapa de coagulación/floculación del tratamiento de lixiviados del vertedero del sistema propuesto, demostraron que la eficiencia de remoción de DOC fueron todos superiores al 80%, con énfasis en el coagulante PGα21Ca, con remoción del 92.5% de DQO, seguido de AlCl3 con 85,7%, Al2(SO4)3 con 83,3% y FeCl3 con el menor desempeño, con remoción de 81,7% de DQO, con diferencia significativa entre PGα21Ca y los demás coagulantes.

La eliminación de color en el sistema propuesto fue mayor con la aplicación del coagulante PGα21Ca, en comparación con el FeCl3, siendo de 97,7% y 90%, respectivamente. En cuanto a la turbidez, el sistema con aplicación de coagulante FeCl3 no fue satisfactorio, siendo significativamente menor que los demás tratamientos.

Los resultados obtenidos muestran que el sistema propuesto puede reducir significativamente la concentración de materia orgánica en el lixiviado tratado, permitiendo liberarlo y diluirlo en la red de alcantarillado urbano, considerando que en las grandes ciudades los valores de DQO de 600 mg L-1 normalmente se encuentran.

Es de destacar que muchos rellenos sanitarios maduros necesitan enviar sus lixiviados para su tratamiento en plantas de tratamiento de efluentes, donde se exigen varios requisitos para recibir este tipo de residuos. En este escenario, la implementación del sistema propuesto puede contribuir a solucionar este problema.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado en forma de figuras, tablas y gráficos.

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Los autores agradecen el apoyo obtenido por las siguientes instituciones brasileñas: Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico—CNPq; Coordinación para el Perfeccionamiento del Personal de Educación Superior—CAPES;

Escuela de Artes, Ciencias y Humanidades, Universidad de São Paulo, São Paulo, Brasil

Janaina de Melo Franco Domingos & Marcelo Antunes Nolasco

Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Universidad Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

Thiago de Alencar Neves y Marcus Vinícius Araújo Marques

Instituto de Ciencia y Tecnología, Universidad Estatal de Sao Paulo, São Paulo, Brasil

André Henrique Rosa

Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Estatal de Campinas, Campinas, SP, Brasil

Rebeca Carvalho Siqueira, Oswaldo Luiz Alves y José Roberto Guimarães

Centro Tecnológico y Agrícola del Estado de Bahía (Cetab), Salvador, Bahía, Brasil

Djalma Lucas de Sousa Maia

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Todos los autores han leído, aprobado y realizado contribuciones sustanciales al manuscrito. Los autores, TAN, JRG, MAN, AHR fueron responsables de la adquisición de consumibles, reactivos químicos, equipos, análisis y estructura de laboratorio.

Correspondencia a Thiago de Alencar Neves.

Este trabajo generó un registro de patente (Proceso No. BR 10 2021 025779 2), donde todos los interesados ​​son autores de este artículo y están de acuerdo con su publicación, no hay intereses en competencia.

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de Melo Franco Domingos, J., de Alencar Neves, T., de Sousa Maia, DL et al. Efecto de la asociación de coagulación/floculación, cavitación hidrodinámica, ozonización y carbón activado en un sistema de tratamiento de lixiviados de vertedero. Representante científico 13, 9502 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36662-8

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Recibido: 02 de febrero de 2023

Aceptado: 07 de junio de 2023

Publicado: 12 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36662-8

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