Diseño óptimo de sistemas de tratamiento sono-fenton para la degradación de paracetamol en efluentes hospitalarios

150 páginas. Maestría en Ingeniería de Procesos.El desarrollo de los procesos de oxidación avanzada ha permitido el perfeccionamiento de técnicas capaces de alcanzar altos grados de degradación de paracetamol en tiempos de tratamiento razonablemente cortos. Sin embargo, aún se carece de estudios enfocados hacia la implementación de estos procesos en sistemas de tratamiento de efluentes hospitalarios. El objetivo de este trabajo es el desarrollo de una metodología sistemática para el diseño óptimo de sistemas de tratamiento que incorporan la tecnología de oxidación sono-Fenton para la degradación de paracetamol en efluentes hospitalarios. Para ello, a partir de resultados experimentales reportados en la literatura se obtuvo un modelo cinético de naturaleza empírica. Dicho modelo cinético describe con suficiente precisión el decaimiento de la concentración de paracetamol en función de las concentraciones de hierro II y peróxido de hidrógeno. El modelo cinético empírico se incorporó en un modelo de programación no lineal (PNL) para el diseño de sistemas de tratamiento de efluentes hospitalarios contaminados con paracetamol. El modelo de PNL incluye expresiones para la estimación de costos asociados al proceso sono-Fenton, que permiten minimizar el costo total anual del sistema de tratamiento. En este trabajo se propone, además, una metodología de solución del modelo de PNL que permite explorar el espacio de solución en búsqueda de múltiples soluciones óptimas locales, y resuelve la componente discreta del problema de diseño, evitando así recurrir a modelos y técnicas de solución basada en programación no lineal entera-mixta (PNL-EM). La metodología desarrollada para el diseño de sistemas de tratamiento de efluentes hospitalarios contaminados con paracetamol se aplicó a un caso de estudio que considera flujos y concentraciones de paracetamol típicos reportados en la literatura para instalaciones hospitalarias de capacidad media con aproximadamente 500 camas. Los resultados muestran que, para el caso de estudio abordado, el costo total anual del sistema de tratamiento se ve fuertemente dominado por los costos de capital, y no por el flujo de efluente tratado, como usualmente se asume en la literatura. De hecho, el sistema de tratamiento que opera con tratamiento mínimo de efluente resultó ser el más costoso de los diseños desarrollados en este trabajo. Los resultados también muestran que la concentración de paracetamol máxima pre-establecida en la descarga del sistema de tratamiento tiene un efecto importante sobre el costo total anual del diseño óptimo del sistema, mismo que es del orden de 736,321 USD año-1 para una concentración máxima permitida en la descarga del sistema de 100 μg L-1. Con la metodología de solución propuesta no se detectaron múltiples soluciones óptimas locales para el modelo de PNL aplicado al caso de estudio abordado. La importancia del desarrollo de una metodología para el diseño de sistemas de tratamiento de efluentes hospitalarios contaminados con paracetamol, radica en la potencial aplicación de una legislación ambiental que regule las descargas de fármaco hacia el medio ambiente. El trabajo realizado también proporciona una estimación del costo total anual que representaría la implementación de un sistema de tratamiento especializado para las corrientes efluentes generadas en una instalación hospitalaria.The development of advanced oxidation processes has allowed the improvement of techniques capable of achieving high degrees of paracetamol degradation in reasonably short treatment times. However, there is still a lack of studies focused on implementation of these processes in hospital effluents treatment systems. The objective of this work is the development of a systematic methodology for the optimal design of treatment systems which incorporate the sono-Fenton oxidation technology for paracetamol degradation in hospital effluents. To do this, an empirical kinetic model was obtained based on experimental results reported in the literature. This kinetic model describes the decay of paracetamol concentration as a function of iron II and hydrogen peroxide concentrations with adequate precision. The empirical kinetic model was incorporated into a nonlinear programming (NLP) model for the design of hospital effluents treatment systems contaminated with paracetamol. The NLP model includes expressions for the estimation of costs associated to the sono-Fenton process, which allow the minimization of the total annual cost of the treatment system. This work also proposes a methodology for the solution of the NLP model which allows exploring the solution space in search of multiple local optimal solutions, and solves the discrete component of the design problem, avoiding in this manner the use of models and solution techniques based on mixed-integer nonlinear programming (MINLP). The methodology developed for the design of hospital effluents treatment systems contaminated with paracetamol was applied to a case study that includes typical flows and concentrations of paracetamol reported in literature for hospital facilities of medium capacity with approximately 500 beds. The results for the case study addressed show that the total annual cost of the treatment system is strongly dominated by capital costs, and not by the effluent treatment flowrate, as it is usually assumed in the literature. In fact, the treatment system which operates with minimum treatment flowrate was the most expensive system among the designs developed in this work. The results also show that the pre-established maximum concentration of paracetamol at the treatment system discharge has a significant effect over the total annual cost of the optimum design, which is of the order of 736,321 USD year-1, for a maximum concentration allowed at the discharge point of 100 μg L-1. The solution methodology proposed does not detect multiple local optimum solution for the NLP model applied to the addressed case study. The importance of developing a methodology for the design of hospital effluents treatment systems contaminated with paracetamol relies on the potential application of an environmental legislation that regulates the drug discharges to the environment. This work also provides an estimation of the total annual cost of implementing a specialized treatment system for effluent streams generated in a hospital facility.Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (México)

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