Degradação de poluentes emergentes por processos oxidativos avançados (O3, O3/UV, O3/Fe2+, O3/UV/Fe2+) visando o tratamento de efluentes hospitalares

Abstract

Compostos farmacêuticos são detectados em diversas matrizes ambientais. Estes compostos, quando não eliminados por técnicas avançadas de tratamento, contribuem para impactos ambientais negativos. Especificamente, efluentes hospitalares apresentam altas concentrações destes compostos principalmente pela excreção por pacientes. Neste contexto, o presente trabalho visa contribuir com a pesquisa científica em relação a efluentes hospitalares no Brasil, propondo alternativas de tratamento com ozônio para a remoção de fármacos. Para atingir o objetivo proposto, foi realizado um diagnóstico em um hospital visando identificar o consumo das principais classes farmacêuticas. A partir deste estudo, desenvolveu-se um planejamento de experimentos para avaliar os parâmetros mais adequados do processo de ozonização para a remoção de cafeína (CAF), amoxicilina (AMX) e ampicilina (AMP) em soluções aquosas. Foram avaliados experimentalmente os processos O3, O3/UV, O3/Fe2+, O3/UV/Fe2+. Investigou-se a influência da concentração inicial de fármaco, do pH, da potência de luz UV aplicada e da concentração inicial de Fe2+ utilizado como catalisador homogêneo. A variável de resposta foi a eficiência de mineralização. Os parâmetros obtidos pelo planejamento experimental foram aplicados para o Atenolol (ATE) e para soluções aquosas contendo a mistura de todos os compostos analisados (CAF, AMX, AMP e ATE). Um estudo cinético para determinação das constantes de reação foi realizado para a cafeína e atenolol. Para avaliar o tratamento com efluente hospitalar, uma caracterização (detecção de compostos farmacêuticos e parâmetros físico-químicos e toxicológicos) foi realizada antes e após o processo que apresentou a melhor eficiência de mineralização. Com o objetivo de extrapolar os estudos realizados e avaliar outros poluentes emergentes, além dos compostos farmacêuticos, realizaram-se experimentos com 90 compostos como drogas de abuso, hormônios e produtos de higiene pessoal que também podem estar presentes em efluentes hospitalares, avaliando a influência do pH e da dosagem de ozônio aplicada. Como principais resultados, os antibióticos e cardiovasculares foram as classes farmacêuticas mais consumidas no hospital. Pelo planejamento de experimentos, observou-se que todos os compostos avaliados foram rapidamente degradados (100% em menos de 15min) e as melhores eficiências de mineralização atingiram 70,8%, 60,4% e 63,6% para CAF, AMX e AMP, respectivamente. O sistema O3/UV/Fe2+ obteve a melhor eficiência de mineralização para o ATE (67,9%) e para a mistura dos compostos (69,5%). O estudo cinético possibilitou o cálculo das constantes cinéticas: kO3 =697,46 M-1 s-1 e kOH = 6,41x109 M-1 s-1 para a cafeína; e kO3 =146,56 M-1 s-1 e kOH = 15,29x109 M-1 s-1 para o atenolol. A eficiência de mineralização para os experimentos com efluente hospitalar atingiu 54,7% para o sistema O3/UV, sendo eficiente para a completa eliminação de diversos compostos farmacêuticos e remoção da toxicidade. Em relação à remoção dos 90 poluentes emergentes, observou-se que 53,3% dos compostos foram completamente degradados utilizando uma razão mMO3/mMC=0,3 em pH neutro. Os resultados encontrados indicam que o presente trabalho contribui para o avanço da pesquisa sobre efluentes hospitalares, pois apresenta uma alternativa de tratamento eficiente para a completa remoção de diversos compostos farmacêuticos, minimizando o impacto negativo destes no meio ambiente.

Pharmaceutical compounds (PhCs) are detected in various environmental matrices. These compounds, whether not eliminated by advanced treatment techniques, contribute to bacterial resistance and negative environmental impacts on water resource. Specifically, hospital wastewaster exhibit high concentrations of these compounds mainly by the excretion by patients. In this context, this paper aims to contribute to scientific research regarding hospital wastewater in Brazil, proposing treatment alternatives by ozone to remove PhCs. To achieve this purpose, it conducted a diagnosis in a hospital to identify the consumption of major pharmaceutical classes. With this result, it developed an experimental design to evaluate the most appropriate parameters of the ozonation process for the removal of caffeine (CAF), amoxicillin (AMX) and ampicillin (AMP) in aqueous solutions. This study evaluated the following processes experimentally: O3, O3/UV, O3/Fe2+ O3/UV/Fe2+. The influence of ozone dose, initial PhCs concentration, pH, power UV light applied and Fe2+ initial concentration used as homogeneous catalyst were investigated. Mineralization efficiency was the response variable. Parameters obtained by the experimental design were applied for Atenolol (ATE) and aqueous solutions containing the mixture of all compounds analyzed (CAF, AMX, AMP and ATE). A kinetic study for the determination of reaction constants was carried out for caffeine and atenolol. To evaluate the hospital wastewater treatment, a characterization (detection of pharmaceutical compounds and physico-chemical and toxicological parameters) was performed before and after the process that showed the best mineralization efficiency. In order to extrapolate the studies and evaluate other emergent pollutants, in addition to pharmaceutical compounds, were conducted experiments with 90 compounds such as illicit drugs, hormones and personal care products, which also may be present in hospital wastewater, evaluating the influence of pH and ozone dosage. Main results showed that antibiotics and cardiovascular were the most consumed pharmaceutical classes in the hospital. For the design of experiments, it was observed that all the evaluated compounds were rapidly degraded (100% in less than 15 minutes) and the best mineralization efficiency reached 70.8%, 60.4% and 63.6% for CAF and AMX AMP, respectively. The system O3/UV/Fe2+ obtained the best mineralization efficiency for ATE (67.9%) and mixture of compounds (69.5%). The kinetic study allowed the determination of the kinetic constants: kO3 = 697.46 M-1 s-1 and kOH = 6.41x109 M-1 s-1 for caffeine; and kO3 = 146.56 M-1 s-1 and kOH = 15.29x109 M-1 s-1 for atenolol. Mineralization efficiency for hospital wastewater experiments reached 54.7% by the system O3/UV, being efficient for complete elimination of various PhCs and removal of toxicity. Regarding the removal of 90 emergent pollutants, it was observed that 53.3% of the compounds were completely degraded using a ratio mMO3/MMC = 0.3 at neutral pH. The results indicated that this work contributes to the advance of research on hospital wastewater, because it presents an effective alternative treatment for complete removal of various pharmaceutical compounds, minimizing the negative impact on the environment.