Evaluación del comportamiento de nanopartículas de plata dentro de las plantas de tratamiento de efluentes municipales

Abstract

La presente tesis se enfoca en el análisis de las nanopartículas de plata (AgNP) dentro de las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTARs), a fin de determinar su destino en las corrientes generadas y su posible liberación en el medio ambiente. Se realiza una revisión bibliográfica de los procesos físicos, químicos y biológicos que influyen en su comportamiento, y con base en ella se seleccionan expresiones cinéticas adecuadas para llevar a cabo diversas simulaciones. Las simulaciones se efectúan en dos modelos de prueba ampliamente reconocidos para PTARs, los “Benchmark Simulation Models” (BSM1 y BSM2), que sirven como plataformas para incorporar y analizar las AgNPs. Posteriormente se desarrolla un modelo estadístico basado en el diseño de experimentos (Metodología de Superficie de Respuesta, RSM) para evaluar los parámetros operativos y las concentraciones de entrada, e identificar las variables más influyentes en la remoción de nanopartículas y de nutrientes y en el consumo de energía. La remoción de AgNPs varió entre 50,2 y 46,2% en el BSM1 modificado y entre 49,9 y 40,7% en el BSM2 modificado, con valores de nitrógeno de 14,06 – 22,70 mgN/L y 11,26 – 11,71 mg/L, respectivamente. Se observó un comportamiento no lineal en la DQO en ambos modelos, debido a que los iones de plata inhiben el crecimiento de la biomasa autótrofa. Predominaron las especies solubles de Ag en el efluente, con menor presencia en los barros en el BSM2. El análisis RSM indicó que los factores más influyentes son los caudales de rechazo y de reciclo del sedimentador secundario. Se identifican limitaciones de los modelos, que subrayan la necesidad de futuras validaciones a mayor escala, aunque los modelos desarrollados establecen bases para profundizar el análisis en trabajos futuros.

This Thesis focuses on the analysis of silver nanoparticles (AgNPs) within wastewater treatment plants (WWTPs), in order to determine their fate in the generated streams and their potential release into the environment. A detailed literature review of the physical, chemical, and biological processes that may influence the behaviour of AgNPs is carried out, and based on it, appropriate kinetic expressions are selected to describe these processes and conduct various simulations. The simulations are performed using two widely recognized benchmark models for WWTPs, the “Benchmark Simulation Models” (BSM1 and BSM2), which serve as platforms to incorporate and analyze the behaviour of AgNPs. Subsequently, a statistical model based on response surface methodology (RSM) is developed to assess the operational parameters of the plants and the nanoparticle concentrations in the influent, thereby identifying the variables exerting the greatest influence on nanoparticle and nutrient removal, as well as energy consumption. AgNP removal ranged from 50.2% to 46.2% in the modified BSM1 model, with nitrogen values between 14.06 and 22.70 mgN/L. In the modified BSM2 model, removals ranged from 49.9% to 40.7%, and total nitrogen ranged from 11.26 to 11.71 mg/L. Non-linear behaviour in COD was observed in both models, due to silver ions inhibiting autotrophic biomass growth. Soluble Ag species predominated in the effluent in both models, with a lower presence in the sludge in BSM2. The RSM analysis indicated that the most influential factors in both models are the secondary clarifier reject and recycle flow rates. The study identifies limitations in the modified models, emphasizing the need for future validations on a larger scale, while establishing the foundation for further analysis in future work.