ESTUDIO COMPARATIVO DE DIFERENTES TECNOLOGÍAS CONVENCIONALES DE LAS AGUAS RESIDUALES RESPECTO A LA ELIMINACIÓN DE FÁRMACOS RESUMEN

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1 ESTUDIO COMPARATIVO DE DIFERENTES TECNOLOGÍAS CONVENCIONALES DE LAS AGUAS RESIDUALES RESPECTO A LA ELIMINACIÓN DE FÁRMACOS Aurelio HERNÁNDEZ LEHMANN 1, Juan Antonio CORTACANS TORRE 1, Isabel del CASTILLO GONZÁLEZ 1, Aurelio HERNÁNDEZ MUÑOZ 1 y Ma. Estela MONTES CARMONA 2 1 Cátedra de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros, Caminos, Canales y Puertos, Universidad Politécnica de Madrid. Calle Profesor Aranguren s/n, 28040, Madrid, España. Correo electrónico: aurelio.hernandez@upm.es. 2 Estudiante de Doctorado del Departamento de Ordenación del Territorio, Urbanismo y Medio Ambiente de la E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos, Universidad Politécnica de Madrid. Palabras clave: fármacos, técnicas de depuración convencionales, eliminación RESUMEN Numerosas investigaciones en diferentes países del mundo, han demostrado que existen concentraciones significativas de compuestos farmacologicamente activos (CFA) en el ambiente acuático, lo cual provoca un gran riesgo para la salud de los seres vivos y se presume que los efluentes de las plantas de tratamiento de las aguas residuales sean un gran aporte de estas sustancias, a los ríos, arroyos, y aguas territoriales. Bajo este contexto, el grupo de investigación, Tratamiento y Gestión Sostenible de los Recursos de la Cátedra de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, esta realizando varios proyectos encaminados a establecer la presencia de determinados CFA en las aguas residuales de diversas estaciones depuradoras ubicadas en la comunidad de Madrid. Para lo cual, se escogieron tres sistemas de depuración: oxidación prolongada, lechos bacterianos y reactor rotario de contacto biológico (biodiscos), se determinaron parámetros fisicoquímicos de cada una de las depuradoras y además se compararon los rendimientos de eliminación de cuatro fármacos que actúan sobre el sistema nervioso central: metadona, benzodiacepina, opiáceos y cocaína. Los resultados obtenidos muestran que de los tres sistemas, el de biodiscos resultó ser el mejor método de eliminación para la metadona (31.2%) y para la cocaína con un 41.4% el de oxidación prolongada. No se observó una diferencia significativa para la benzodiacepina ni para los opiáceos entre los diferentes sistemas de depuración. INTRODUCCIÓN Muchos CFA son usados cada año en el mundo para el cuidado de la salud de humanos y animales. Algunos son excretados sin metabolizar o como activos metabolitos, escapando de la degradación de las plantas de tratamientos de aguas residuales y entrando al medio ambiente, afectando las aguas superficiales y subterráneas. Por otro lado la presencia de antibióticos en las aguas residuales no es recomendable ya que estos compuestos probablemente inducen a la 1 1

2 resistencia de las comunidades microbianas que ahí se encuentran (Zuccato et al. 2004). En Alemania anualmente la prescripción de la carbamazepina es aproximadamente de 80 tons/año. Sin embargo como dato revelador, por farmacocinética solo del 12% de la carbamazepina es excretada no metabolizada encontrándose presente en los efluentes de las depuradoras con un valor de 2.1 μg/l y 0.25 μg/l en los ríos. (Clara et al. 2004, TauxeWuersch et al. 2005). El naproxeno (antiinflamatorio) fue detectado en el efluente de una depuradora de aguas residuales de Louisiana con valores entre ηg/l, y en las aguas superficiales de Lousiana y Ontario se encontraron valores entre ηg/l. Tampoco pudo ser removido del agua proveniente de un río de Mississippi después de pasar por un tratamiento de potabilización convencional (coagulación, floculación y sedimentación) y agregando además 2 mg/l de carbón activado (Boyd et al. 2003). Strenn et al. (2004) encontraron en algunos ríos de la provincia de Río de Janeiro, Brasil concentraciones de antiinflamatorios, lípidos reguladores y metabolitos de fármacos que oscilaban entre 0.02 y 0.04 μg/l. En la Universidad de Santiago de Compostela se analizó el comportamiento de fármacos, cosméticos y hormonas en una planta de tratamiento de aguas residuales de Galicia, encontrándose en general una remoción del 7090% para los cosméticos, 4065% para los antiinflamatorios, alrededor del 60% para los antibióticos de sulfametoxazona y 65% para 17βestradiol. Dos mecanismos pueden explicar esta eliminación: la degradación de los compuestos y la absorción en el tratamiento primario y en el tratamiento secundario (Carballa et al. 2004). El Tiempo de Retención Celular (TRC) describe el tiempo de residencia de la biomasa dentro del sistema, esto está relacionado con la tasa de crecimiento de los microorganismos. De acuerdo a esta definición, las plantas de tratamiento con altos TRC permiten el lento crecimiento de bacterias y consecuentemente el establecimiento de diversas biocenosis con amplias capacidades fisiológicas que en las plantas de tratamiento que operan con bajos TRC (Clara et al. 2004). Por consiguiente es evidente que este factor es importantísimo en este proceso puesto como se ha podido observar se han hecho numerosos estudios para determinar la concentración de los fármacos en el agua y después se ha seguido su trayectoria en los diferentes procesos de depuración existentes, de tal manera que se llega a la conclusión que la remoción de los mismos tiene lugar de forma parcial por mecanismos no muy bien determinados, aunque en algunas ocasiones sea mínima (Bellona et al. 2004, ElGohary et al. 1995). El objetivo de este estudio fue comparar diferentes tecnologías de tratamientos de aguas residuales para la eliminación de fármacos que afectan el sistema nervioso central. MATERIAL Y MÉTODOS Se analizaron las características del agua, en el influente, efluente y salida de las etapas del tratamiento y los rendimientos de eliminación de los fármacos elegidos. Se seleccionaron tres Estaciones Depuradoras de Agua Residual (EDAR) que representan distintos tipos de tecnologías en el tratamiento de aguas: oxidación prolongada (El MolarEl Vellón), lechos bacterianos (El Berrueco) y biodiscos 2 2

3 (Villamantilla) y cuatro sustancias farmacológicamente activas que actúan sobre el sistema nervioso central: metadona, benzodiacepina, opiáceos y cocaína. Una vez a la semana se realizaron los muestreos, durante tres meses (octubre, noviembre y diciembre del 2004). Las muestras fueron puntuales en la mayoría de los casos y compuestas cuando fue posible, tomándose las mismas por medio de los muestreadores automáticos de que dispone el Canal de Isabel II. Los parámetros fisicoquímicos se analizaron en el Laboratorio de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos de la UPM y fueron: Demanda Bioquímica de Oxigeno, Demanda Química de Oxigeno, Sólidos Suspendidos Totales, Sólidos Suspendidos Volátiles, Nitrógeno Total, N Amoniacal, Nitritos, Nitratos y Fósforo Total. Las determinaciones de las concentraciones de los fármacos se realizaron por el método de Inmunoanálisis de Polarización de la Fluorescencia (ECLIA) en el Hospital del Río Hortega de Valladolid. La metodología analítica utilizada fue la marcada por el Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, APHA AWWA WPCF, y análogos a la Agencia de Protección Ambiental (EPA). RESULTADOS Y DISCUSIÓN Durante el periodo de muestreo se observaron cambios climatológicos, en ocasiones hubo lluvias torrenciales, bajas temperaturas y se encontró escarchado el suelo en la depuradora de El Berrueco. En la entrada de la depuradora de Villamantilla se advirtieron grandes contenidos de sólidos provenientes de una fábrica de paté cercana. En la tabla I se indican los puntos de muestreo así como el número total de muestras. Tabla I. Plan de muestreo EDAR Punto de muestreo Número de muestras/semanales Entrada 11 El MolarEl Vellón (oxidación prolongada) Salida 11 El Berrueco (lechos bacterianos) Entrada 11 Salida 11 Entrada 11 Villamantilla Salida decantador 1 ario. 11 (biodiscos) Salida 11 Para el caso de la depuradora de El Berrueco donde no existe un caudalímetro que registre los caudales tratados, se estima según el Canal de Isabel II que el caudal diario medio es de 1000 m 3 /d. Los caudales de la depuradora de aguas residuales de El MolarEl Vellón se observan en la tabla II, durante ese periodo y en la tabla III, los caudales de Villamantilla Tabla II. Caudales de El MolarEl Vellón 3 3

4 Valores Q agua tratada (m 3 /d) Media Desviación estándar Mínimo Máximo Tabla III. Caudales de Villamantilla Valores Q agua tratada (m 3 /d) Media Desviación estándar Mínimo Máximo Los valores medios, máximos y mínimos de los parámetros analizados de la depuradora El MolarEl Vellón, se muestran en la tabla IV considerando solamente el influente y el efluente. Como puede observarse el rendimiento de eliminación de materia orgánica y sólidos es óptimo, en cambio en los valores de nitrógeno se observa que aun no se obtiene una desnitrificación ideal debido a que la depuradora está en la fase final de la puesta en marcha. Tabla IV. Parámetros fisicoquímicos de la depuradora El MolarEl Vellón Entrada (mg/l) Media Máximo Mínimo SST SSV DBO DQO NH NO NO N t P t Salida (mg/l) Media Máximo Mínimo SST SSV DBO DQO NH NO NO N t P t Con respecto a los rendimientos alcanzados en los sistemas de depuración, se observa que la cocaína logró un 41.4% (4.1 μg/l de concentración en el influente y 2.4 μg/l en el 4 4

5 efluente) en el tratamiento de oxidación prolongada mientras que la metadona es la que obtuvo el menor rendimiento con un 14.3% (Fig. 1). μg/l 80 EDAR:El MolarEl Vellón Oxidación prolongada influente efluente Fármacos Fig. 1. Eliminación de fármacos en el tratamiento de oxidación prolongada En la depuradora de lechos bacterianos se encontraron los siguientes parámetros fisicoquímicos (ver Tabla V). Tabla V. Parámetros fisicoquímicos de la depuradora El Berrueco Entrada(mg/l) Media Máximo Mínimo SST SSV DBO DQO NH NO NO N t P t Salida (mg/l) Media Máximo Mínimo SST SSV DBO DQO NH NO NO N t P t En este sistema, los opiáceos alcanzaron un mayor rendimiento con un 25.4% (11.4 μg/l de concentración en el influente y 8.5 μg/l en el efluente), la cocaína no fue eliminada. 5 5

6 Respecto a los valores de la benzodiacepina, por considerar los resultados como inconsistentes no se reflejan en el grafico, lo anterior se puede advertir en la figura 2. μg/l 60 EDAR: El Berrueco Lechos bacterianos influente efluente Fármacos Fig. 2. Rendimientos de eliminación de los fármacos en el tratamiento de lechos bacterianos En la tabla VI se muestran los valores medios, máximos y mínimos de los parámetros analizados de la depuradora Villamantilla. Tabla VI. Parámetros fisicoquímicos de la depuradora de Villamantilla Entrada (mg/l) Media Máximo Mínimo SST SSV DBO DQO NH NO NO N t P t Salida (mg/l) Media Máximo Mínimo SST SSV DBO DQO NH NO NO N t P t

7 En la depuradora de Villamantina (Fig. 3), la metadona alcanzó el mayor rendimiento con un 31.2% (52.8 μg/l de concentración en el influente y 36.3 μg/l en el efluente). EDAR: Villamantilla Biodiscos μ g/l 60 influente efluente Fármacos Fig. 3. Rendimiento de los fármacos en el tratamiento de biodiscos Los resultados obtenidos en la eliminación de los fármacos en cada uno de los sistemas de depuración investigados, se observan en la tabla VII. Tabla VII Rendimientos en la eliminación de los fármacos Sistemas de depuración Rendimiento medio de eliminación (%) Oxidación prolongada Lechos bacterianos Biodiscos En la figura 4 se distinguen que los mejores resultados en la eliminación de la metadona se obtienen en el tratamiento de biodiscos con un 31.2%, con respecto a la benzodiacepina y en los opiáceos no hay diferencia significativa entre los diferentes sistemas de tratamiento. Para la cocaína no se obtuvieron rendimientos representativos para los tratamientos de biomasa fija pero se obtuvo el 41.4% para el proceso de oxidación prolongada. 7 7

8 Oxidación Prolongada Lechos Bacterianos Biodiscos % Fármacos Fig. 4. Rendimiento medio en la eliminación de los fármacos CONCLUSIONES El tratamiento de biodiscos resulto ser el mejor sistema de eliminación de la metadona con un 31.2%. Para la cocaína no se obtuvieron rendimientos representativos en los tratamientos de biomasa fija pero se obtuvo el 41.4% para el proceso de oxidación prolongada. A la vista de los logros obtenidos en el presente trabajo, se recomienda realizar un programa de muestreo más prolongado en el cual se considere la época de lluvias y de estiaje, así como, establecer una correlación entre la eliminación de los diferentes fármacos y otros parámetros analíticos utilizados en el seguimiento de la calidad de las aguas (DBO, DQO, S.S.T, etc.) AGRADECIMIENTOS Se agradece al Ministerio de Ciencia y Tecnología (Proyecto PROFIT: FIT ) por el financiamiento del presente proyecto, así como al Canal de Isabel II por su colaboración. REFERENCIAS APHA, AWWWA, WPCF. (1995). Standard Methods for the examination of water and wastewater. American Public Health Association, Nueva York. 8 8

9 Bellona C., Drewes J.E., Xu P. and Amy G. (2004). Factors affecting the rejection of organic solutes during NF/RO treatmenta literature review. Wat. Res. 38, Boyd G. R., Reemtsma H., Grimm D. and Mitra S. (2003). Pharmaceuticals and personal care (PPCPs) in surface and treated waters of Louisiana, USA and Ontario, Canada. Sci. Tot. Environ. 311, Carballa M., Omil F., Lema J.M., Llompart M., GarcíaJares C., Rodríguez I., Gómez M. y Ternes T. (2004). Behavior of pharmaceuticals, cosmetics and hormones in a sewage treatment plant. Wat. Res. 38, Clara M., Strenn B., Ausserleitner M. and Kreuzinger N. (2004). Comparison of the behaviour of selected micropolluntants in membrane bioreactor and a conventional wastewater treatment plant. Wat. Scien. Tech. 50(5), Clara M., Strenn B. and Kreuzinger N. (2004). Carbamazepine as a possible anthropogenic marker in the aquatic environment: investigations on the behavior of Carbamazepine in wastewater treatment and during groundwater infiltration. Wat. Res. 38(4), ElGohary F.A., AbouElela S.I. and Aly H.I. (1995). Evaluation of biological technologies for wastewater treatment in the pharmaceutical industry. Wat. Scien. Tech. 32(11), Strenn B., Clara M. Gans O. and Kreuzinger N. (2004). Carbamazepine, diclofenac, ibuprofen and bezafibrateinvestigations on the behaviour of selected ibuprofen and bezafibrateinvestigations on the behaviour of selected pharmaceuticals during wastewater treatment. Wat. Scien. Tech. 50(5), TauxeWuersch A., De Alencastro L.F. Grandjean D. and Tarradellas J. (2005). Occurrence of several acidic drugs in sewage treatment plants in Switzerland and risk assessment. Wat. Res. En prensa. Zuccato, E., Castigloni, S., Fanelli, R., Bagnati, R., Reitano, G. y Calamari, D. (2004). Risks related to the discharge of pharmaceuticals in the environment: futher research is need. Pharmaceuticals in the environment: source, fate, effects and risks. Kümmerer K. Edit. Springer. Germany. 9 9