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INTRODUCCIÓN
La gestión y manejo del agua es reconocido como un tema estratégico y un eje de las políticas ambientales y económicas, además de ser un factor base del desarrollo social. Debido a la contaminación ambiental por las aguas residuales, una fracción importante del agua dulce, disponible del planeta, presenta algún tipo de afectación modificando sus características. Según la Organización Mundial de la Salud, más de 1 200 millones de personas consumen agua sin garantías sanitarias, lo que provoca un grave problema de salud (Ambientum, 2020).
Se ha reportado que más del 48 % de las aguas residuales en el mundo son vertidas, al entorno ambiental, sin ningún tratamiento. Esto impacta negativamente en la salud pública y la preservación de los recursos naturales (Jones, et al., 2021). Las consecuencias económicas indican que en muchas ocasiones el costo del impacto causado supera la inversión necesaria para depurar las aguas residuales (Alférez et al, 2019).
La industria farmacéutica genera aguas residuales con determinadas concentraciones de fármacos, los cuales deben ser eliminados antes del vertimiento. Estos al ser liberados continuamente, al medio ambiente, se convierten en agentes contaminantes de gran impacto negativo en las fuentes hídricas, alterando los ciclos vitales de la fauna y la flora tanto terrestre como acuática (Ghernaout et al., 2019; Cárdenas, 2022). Por lo tanto, el tratamiento adecuado de estas aguas residuales es una medida ecológica de gestión ambiental importante para conservar el ciclo del agua, así como mejorar la calidad de vida al permitir un mayor acceso a un agua potable (Espinosa, 2011).
La Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible incluye un conjunto de objetivos, entre ellos el No. 6 “Agua limpia y saneamiento” con el propósito de garantizar la disponibilidad de agua, su gestión sostenible y el saneamiento para todos (ONU, 2018). En Cuba es vital el control de los residuos líquidos debido a la poca disponibilidad de aguas superficiales y subterráneas. Para ello, existen normativas (ONN, 2007; ONN, 2012) que regulan su vertimiento a un cuerpo receptor, además es preciso el control sistemático de los indicadores ambientales.
Generalidades del aceite de palma y el tratamiento de efluentes de su producción
En Cuba, la palma real (Roystonea regia H.B.K. Cook) crece y se reproduce en forma silvestre (Rodríguez et al., 2020). De los frutos de la Roystonea regia, conocido como palmiche, se obtiene un aceite, el cual está compuesto principalmente por una mezcla de ácidos grasos (entre 8 y 18 átomos de carbono) con más de un 40 % de insaturados (Vicente et al., 2017).
Se ha reportado que los efluentes del proceso de extracción del aceite contienen gran cantidad de materia orgánica, sólidos en suspensión y aceites. El tratamiento previo a su descarga de estas aguas residuales debe orientarse a estabilizar la materia orgánica (Malacatus et al., 2017).
Los métodos para tratar los efluentes del proceso industrial en este sector incluyen filtros de grasa o separadores de aceite/agua para eliminar los sólidos flotantes; la ecualización de flujo y carga contaminante; la sedimentación destinada a reducir los sólidos en suspensión con el empleo de clarificadores; el tratamiento biológico, normalmente anaerobio, seguido del tratamiento aerobio para reducir la materia orgánica soluble; la eliminación de nutrientes biológicos para reducir el nitrógeno y el fósforo. Además, la cloración de los efluentes siempre que sea necesario la desinfección, la deshidratación y eliminación de residuos sólidos. (IFC, 2015).
Estrategias del Centro Nacional de Investigaciones Científicas desde el punto de vista ambiental
El Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNIC), como primera prioridad en la estrategia ambiental, se trazó prevenir y controlar la contaminación ambiental en las fuentes de origen y reducir a niveles permisibles aquella cuya generación no pueda evitarse, promoviendo la mejor gestión de materias primas, recuperación, reúso y reciclaje en los procesos productivos. Este accionar se corresponde con el eje estratégico “Recursos naturales y el medio ambiente” del Plan Nacional de Desarrollo Económico y Social de Cuba, 2030 (Gutiérrez et al., 2022).
Consecuentemente, el tratamiento de las aguas residuales de las producciones del CNIC también forma parte de su estrategia ambiental. Se cuenta con los permisos de vertimiento otorgados por las entidades competentes y se cumple con los controles ambientales, caracterizando y monitoreando sistemáticamente las aguas residuales generadas (López et al., 2022).
En este sentido, el CNIC en su función de empresa tiene como premisa la gestión y tratamiento de las aguas residuales de sus producciones. Dentro del proceso inversionista del CNIC se proyecta la planta de producción industrial del ingrediente activo (IA) Palmex, indicado para el tratamiento de la hiperplasia prostática benigna (HPB).
Para dar cumplimiento a los requerimientos ambientales de la inversión, el presente trabajo se trazó como objetivo caracterizar las aguas residuales generadas de las producciones del ingrediente activo Palmex con vista a proponer un esquema tecnológico de tratamiento para la planta industrial.
MATERIALES Y MÉTODOS
Medicamento para la HPB
La HPB consiste en un agrandamiento benigno de los elementos glandulares de la próstata, que conducen a una compresión de la uretra y producen síntomas del tracto urinario bajo como retención urinaria, disminución del volumen de orina entre otros (Barboza, 2017). La HPB es muy frecuente en hombres mayores de 50 años, y su frecuencia aumenta con la edad. El envejecimiento de la población cubana será muy notorio en los próximos años, lo que unido al incremento de la expectativa de vida indica un aumento de enfermedades asociadas, como la HPB.
En el mundo se comercializan medicamentos para tratar la HPB. Además, existen varias alternativas fitoterapéuticas, como los extractos lipídicos del fruto de Saw palmetto (Serenoa repens). Ninguna de estas alternativas se producía en el país, ni se encontraban disponibles en la red de farmacias nacionales (Gil, 2016). Teniendo en cuenta estos antecedentes, en el CNIC, se desarrolló un producto denominado D004, obtenido a partir del fruto de la Palma Real Cubana (Roystonea regia) registrado como Palmex.
Caso de estudio
El presente trabajo corresponde con la propuesta de un esquema tecnológico para la planta de tratamiento de las aguas residuales (PTAR) de la planta de producción industrial del IA Palmex. Esta planta de producción representa beneficios sociales y económicos, ya que se comercializará en el mercado nacional, con lo cual sustituirán importaciones, previéndose, además, su exportación a países asiáticos donde la demanda de productos naturales es elevada.
La planta de producción del ingrediente activo se ubicará en una de las plantas de la Agrupación-2 del CNIC, la cual será remodelada. En esta Agrupación está la planta de producción de cápsulas blandas (PCB), que dispone de una PTAR.
Se realizó un diagnóstico inicial en una visita técnica a las instalaciones donde se ubicará la planta referida. Se verificó que la PTAR existente para la PCB consta de los órganos de tratamiento siguientes: trampa de grasas-sedimentador primario, tanque homogeneizador, sistema de ozonización y, finalmente, un tanque séptico-filtro biológico (filtro anaerobio de flujo ascendente FAFA). Estos órganos tienen la capacidad suficiente para el tratamiento de los efluentes de la PCB y además los tres últimos órganos permiten el tratamiento de otros efluentes. Por ello, se valora emplear parte del sistema existente para tratar las aguas residuales de las producciones de IA Palmex. El correcto funcionamiento de la propuesta de la PTAR permitirá que el CNIC cumpla con las normativas de vertimiento NC 27:2012.
Muestras de aguas residuales
Como referencia para la caracterización de las aguas residuales que se generarán en la planta de producción industrial se realizaron muestreos en la Planta Piloto de producción del IA Palmex del CNIC. Para ello, se recolectaron aguas residuales de las diferentes etapas del proceso productivo, a partir de las cuales se conformó una muestra compuesta, teniendo en cuenta el volumen de agua residual generado en cada etapa y la información disponible (PNO de limpieza, Tarea Técnica del Proyecto Industrial, intercambio con especialistas y técnicos).
Instalación experimental
Los procesos de tratamiento por trampa de grasa, sedimentación primaria y ozonización de las aguas residuales de la producción de IA Palmex se llevaron a cabo en una instalación experimental ubicada en el Laboratorio de Tecnologías del CNIC, los cuales se muestran en las Figuras 1, 2 y 3.
Las ozonizaciones se realizaron en una columna de burbujeo de 600 mL, en operación semicontinua, equipada con un difusor de vidrio poroso, toma muestra, entrada y salida de gas (Figura 3). La mezcla oxígeno-ozono se obtuvo de un equipo generador de ozono modelo AQOZO (Cuba), alimentado con oxígeno comprimido. El ozono gaseoso residual (que no se consumió) fue destruido catalíticamente a la salida de la columna. Se empleó un flujo de gas de 10 L h-1 y una concentración de ozono en el gas a la entrada de la columna de 50 mg L-1. La concentración de ozono en el gas fue determinada a una longitud de onda de 256 nm, en un espectrofotómetro UV-VIS modelo Pharmacia LKB (Reino Unido). Para la evaluación, las muestras de agua ozonizada se tomaron a diferentes tiempos de tratamiento. La medición de pH del agua residual a tratar se realizó con un pHmetro Orion modelo 720.
Ensayos analíticos
Los ensayos fueron realizados por triplicado, empleando los métodos establecidos para las determinaciones de la Demanda Química de Oxígeno (DQO), Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), Sólidos Totales (ST), Sólidos Sedimentables (SSed), Grasas y Aceites (G y A), Conductividad Eléctrica (CE), Temperatura y pH (APHA, AWWA, WEF, 2017). A los efectos del análisis se compararon los valores de los diferentes indicadores analizados en las muestras con la Norma Cubana de Vertimiento de Aguas Residuales a las Aguas Terrestres y al Alcantarillado. Especificaciones, NC 27:2012, considerando los Límites Máximos Permisibles Promedio (LMPP) para las descargas de aguas residuales al sistema de alcantarillado.
Procesamiento estadístico
Se empleó el programa de computación (Microsoft® Excel, 2019) y el paquete de programas estadísticos STATGRAPHICS Centurion XIX.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los principales contaminantes para aguas residuales provenientes de la industria oleosa, según la literatura, son las grasas y aceites y, en general, compuestos orgánicos, responsables de los elevados valores de DQO y DBO5. Los valores reportados de DQO oscilan entre 3 000 y 60 000 mg L-1, el pH entre 5 y 9, G y A entre 74 y 72 824 mg L-1, y sólidos sedimentables entre 0 y 10 mg L-1 (Yu et al, 2017; Sánchez et al., 2018 ; Rodríguez et al, 2022).
La Tabla 1 muestra los valores promedios de los indicadores de contaminación evaluados. La caracterización de las aguas residuales generadas en la producción de Palmex en la Planta Piloto indicó que los niveles de DQO, CE, pH, G y A no cumplen con los LMPP de la NC 27:2012 para el vertimiento al sistema de alcantarillado.
Tabla 1 Caracterización físico-química de las aguas residuales generadas en la Planta Piloto de Producción de IA Palmex.
Por lo que se puede observar en la Tabla 1, los valores obtenidos en estas muestras coinciden con los reportados en la literatura para este tipo de industria. El pH muestra una tendencia ácida, siendo en ocasiones inferior al LMPP establecido por la norma cubana.
Estudio a nivel de laboratorio
Se comprobó que la etapa del proceso productivo que más aporta CE es la de Purificación (después del lavado con HCl), correspondiente a la fase acuosa que se desecha, al inicio, con un valor promedio de 14 479,8 μS cm-1. Cuando se conformó la muestra compuesta, con el mezclado de las aguas residuales generadas en el resto de las etapas de producción, la CE disminuyó a 7 874 μS cm-1 logrando una reducción del 45 % de este indicador.
Por otra parte, se tiene previsto, para la planta industrial, incrementar los lavados a 12 con agua suavizada en la etapa de Purificación, a diferencia de lo que se estaba realizando en la planta piloto (máximo de 6 lavados), lo que incrementará el volumen total de mezclado. En general, las aguas residuales iniciales del proceso productivo se mezclarán con las aguas residuales generadas de los ciclos de lavados de las matrices oleosas con agua suavizada, lo que tendrá un efecto notable en la reducción de la CE.
En este sentido, se realizaron pruebas de mezclado en el laboratorio donde se lograron eficiencias de disminución de CE entre 43 y 66 % (Tabla 2). Además, se verificó que el agua de acueducto que se utilizará en la planta de producción de IA Palmex a nivel industrial, ubicada en la Agrupación-2, tiene una CE promedio de 715 μS cm-1. Este valor es menor que la CE del agua de proceso que se emplea actualmente en la planta piloto, la cual procede de un pozo que tiene una CE de 1 400 μS cm-1 y que, por lo tanto, aporta un agua con alta CE. Todo lo anterior tendrá un impacto positivo importante en la disminución de la CE y otros indicadores como DQO y ST.
Tabla 2 Efecto en los valores de CE y pH del mezclado de las aguas residuales de la Planta Piloto con agua suavizada.
Según la tendencia mostrada en la Tabla 2 con respecto a la disminución de la CE en las mezclas analizadas, se evaluó el comportamiento de la DQO, para las relaciones comprendidas entre 1:1 y 1:3, para lo que se consideró, como adecuado, este límite de mezcla. En la Tabla 3 se resumen los resultados de la eficiencia de reducción de este indicador.
Tabla 3 Eficiencia de remoción de la DQO para las diferentes mezclas de muestra compuesta y agua suavizada.
Por otra parte, teniendo en cuenta que los residuos líquidos de la planta de producción de IA Palmex presentan un alto contenido de sustancias oleosas, se propuso evaluar el empleo de una trampa de grasa - sedimentador primario. Este órgano de tratamiento fue evaluado de forma particular en el laboratorio, y los resultados son recogidos en trabajos previos no publicados del Grupo de Gestión de los SCT-DECA del CNIC.
En la Tabla 4 se presenta un resumen de los resultados evaluados con la combinación de la trampa de grasa y el sedimentador primario. Se escogieron una gama de valores máximos, intermedios y mínimos de diferentes tiempos de retención hidráulico (TRH: 30, 90 y 180 min). Se puede constatar que estas unidades de tratamiento presentaron una eficiencia de reducción de G y A entre 10 y 51 % para los TRH evaluados. El mejor valor se obtuvo para TRH׃ 180 min.
En la tabla anterior también se observa que, el TRH influye y es directamente proporcional a la remoción de G y A, conclusión que coincide con lo referido por (Ayquipa, 2021).
Por el alto contenido de aceites y grasas aún presente en los efluentes de las etapas anteriormente evaluadas, se realizaron pruebas de ozonización a nivel de laboratorio con aguas residuales recolectadas en la planta piloto de IA Palmex, que fueron previamente tratadas por la trampa de grasas-sedimentador primario bajo un TRH de 180 min. Los resultados indicaron que después de la ozonización los valores de G y A disminuyen a 24 mg L-1 (remoción de más de 89 %). Por ello, se logró cumplir con el LMPP de la NC 27:2012 para este parámetro. De acuerdo con estos resultados, se decidió, para la propuesta de tratamiento, incorporar los efluentes de la trampa de grasas-sedimentador primario al homogeneizador-2 y de este al sistema de tratamiento con ozonización, etapas estas dos últimas ya existentes en la PTAR de la PCB.
La reacción de ozonización con los aceites vegetales se logra con el burbujeo de gas ozono en estos sustratos bajo condiciones de reacción controladas. Durante esta reacción se forman diferentes sustancias como: lipoperóxidos, ozónidos, aldehídos, cetonas, entre otras (Sánchez, 2021). Los ácidos grasos presentes en los aceites vegetales, desde el punto de vista químico, son ácidos carboxílicos con una cadena alifática que puede ser monoinsaturada o tener varias insaturaciones (ácidos grasos poli-insaturados) más susceptibles a la oxidación. Dentro de estos compuestos los insaturados son los que reaccionan más fácilmente con el ozono para dar lugar a los productos de oxidación, los cuales pueden ser eliminados por la ozonización o transformados a compuestos con estructuras químicas más fácilmente biodegradables por un tratamiento biológico posterior, aspecto que se tiene previsto en la propuesta.
Los residuos líquidos de la PCB son similares, por su composición, a los que serán generados en la planta de producción de IA Palmex, ya que en ambos casos se producen productos farmacéuticos oleosos, y se aplican procesos de limpieza y productos químicos similares. En este sentido, se realizaron varias pruebas experimentales de ozonización a nivel de laboratorio y a escala industrial con aguas residuales reales de la PCB, a partir de diferentes concentraciones de DQO. De estos resultados se tomaron como referencia los valores máximos y mínimos de eficiencia, en la etapa de ozonización, los que oscilaron entre 50 y 70 % de reducción de la DQO en el efluente tratado.
Descripción de los órganos de tratamientos propuestos y eficiencia del tratamiento previsto
Según la bibliografía consultada (Gil, 2016; Malacatus et al., 2017; Ayquipa, 2021; Cárdenas, 2022,) y los resultados obtenidos en el laboratorio y a escala de banco, se describe a continuación la alternativa tecnológica propuesta, para el tratamiento de residuales líquidos de la planta de producción de IA Palmex.
En la Figura 4, se presenta el esquema general del sistema de tratamiento que se propone. En el recuadro de líneas discontinuas se muestra el nuevo proceso que se adicionará al sistema de tratamiento ya existente en la Agrupación-2, para el tratamiento previo de estas aguas residuales.
Las aguas residuales del lavado y la desinfección del palmiche (materia prima) pasarán inicialmente por un cribado (tamiz) y un sedimentador, lo más cercano al punto de generación, con el objetivo de separar los sólidos que puedan obstruir los conductos y posteriores etapas de tratamiento. Luego, estas aguas se vierten al tanque homogeneizador-1 el cual amortizará las variaciones de caudal durante el día, y logrará la mezcla entre las aguas residuales generadas en las diferentes etapas productivas y las aguas de otros procesos (como son las limpiezas de pisos de áreas sociales y productivas, lavado de las bolsas de extracción (telos) y el lavado y desinfección del palmiche). Este tanque tendrá agitación mecánica, lo que permitirá obtener un residual líquido homogéneo.
Las aguas residuales procedentes del tanque homogeneizador-1 se descargarán a la trampa de grasa-sedimentador primario, con el propósito de separar las grasas y aceites y sedimentar los sólidos que puedan contener estas aguas, ya que el IA Palmex es un producto oleoso. Los efluentes de la trampa de grasa - sedimentador primario pasarán al tanque compensador. Este dispondrá en su interior de una bomba sumergible para el vertimiento controlado de las aguas residuales. El objetivo de esta descarga controlada será lograr la regulación de la CE en el posterior tanque de homogeneización-2.
El efluente bombeado desde el tanque de compensación transita hacia a un registro, el cual permite la interconexión con la tubería que conduce los efluentes de la PCB hacia el tanque homogeneizador-2 (existente), así como la inspección y limpieza del sistema colector de forma fácil. Este registro permite la unión de ambas tuberías y las conecta con el tanque homogeneizador-2. Por lo tanto, a este tanque homogeneizador-2 llegan las aguas residuales de las producciones de IA Palmex y de la PCB.
El tanque homogeneizador-2 está dividido en su interior y uno de sus compartimientos funciona como estación de bombeo, donde a través de una bomba sumergible estas aguas son enviadas hacia el sistema de ozonización. En el fondo del tanque se pueden depositar los sólidos, por lo que hay que tener en cuenta su extracción periódica con las gestiones de Aguas de La Habana.
El sistema de ozonización existente tiene instalada una columna de burbujeo acoplada a un sistema de generación de ozono y un sistema de ajuste de pH, que permite realizar procesos de oxidación avanzada con ozono a pH elevados, en caso de existir residuales de naturaleza química difíciles de tratar por los métodos tradicionales. Las condiciones de operación de la ozonización y dosis de ozono pueden ser ajustadas durante el proceso de tratamiento. Posteriormente, los efluentes del sistema de ozonización se unirán con las aguas albañales (sociales) en el registro de entrada al tanque séptico-filtro biológico. También este sistema de ozonización, tiene una tubería de reboso directo hacia el alcantarillado para el caso de rotura del tanque séptico-filtro biológico.
En este último órgano de tratamiento se logrará la estabilización final de todas las aguas residuales generadas en la Agrupación-2. Los efluentes tratados del tanque séptico-filtro biológico se verterán hacia el alcantarillado de la ciudad.
En la Tabla 5 se presenta la eficiencia de reducción de los parámetros que inicialmente superaban los LMPP de la NC 27׃2012, y la secuencia de disminución a través de los diferentes órganos del sistema de tratamiento propuesto comparados con la norma. Estos resultados experimentales a escala de laboratorio, y las pruebas realizadas a escala industrial con el sistema de tratamiento existente, permiten predecir que se obtendrán adecuados niveles de reducción de contaminantes físico-químicos en las aguas tratadas por el esquema de tratamiento que se propone para la planta de producción de IA Palmex a nivel industrial.
En resumen, se logró disminuir eficientemente los parámetros DQO, CE, G y A, así como mantener el pH dentro de los LMPP, lo que garantizará el vertimiento seguro al alcantarillado, permitiendo no contaminar los cuerpos de agua receptores con cargas contaminantes de residuos líquidos del proceso productivo y de los productos químicos que se emplean en la limpieza de las áreas y del equipamiento tecnológico.
Los resultados permitieron, además, proponer un esquema tecnológico de tratamiento para la planta de producción industrial del ingrediente activo Palmex, así como presentar y recibir la Licencia Ambiental del CITMA como requerimiento de la inversión, lo cual constituye la base de la Tarea Técnica de la planta de tratamiento de aguas residuales.
CONCLUSIONES
La caracterización inicial de las aguas residuales en la producción del ingrediente activo Palmex de la planta piloto indicó niveles de DQO, pH, CE y G y A, que no cumplían con los LMPP de la NC 27:2012 considerando la descarga al sistema de alcantarillado de la zona. Además, se analizaron alternativas de tecnologías de tratamiento para estas aguas y se realizó una propuesta basada en la combinación de procesos (tamiz, tanque homogeneizador, trampa de grasas, sedimentador, tanque de compensación, ozonización, tanque séptico y filtro biológico), que logra reducir la contaminación ambiental y permite el complimiento de la normativa de vertimiento vigente.
