Tratamiento de aguas residuales domésticas del Vichada por medio de materiales nanoestructurados.

En la actualidad, las actividades antropogénicas producen grandes cantidades de aguas residuales domésticas (ARD) que en algunos casos no reciben un tratamiento satisfactorio, ni eliminan en su totalidad microorganismos de origen fecal. Adicionalmente, estas ARD pueden tener bacterias multirresistentes a antibióticos. Lo que genera un riesgo para la salud de la población que las llegara a reutilizar y causan un impacto ambiental negativo en cuerpos de agua superficiales si no se tratan adecuadamente. Por lo tanto, el proyecto de apoyo a tesis doctorales busca desarrollar un material nanoestructurado como alternativa novedosa para el tratamiento de aguas residuales domésticas en el Vichada. Empleando el proceso de fotocatálisis heterogénea con Dióxido de Titanio, caracterizado a través de técnicas electrofísicas como Espectroscopia de Impedancia de Eléctrica (EIS). El presente proyecto al ser parte de una tesis de doctorado en Ciencias y Tecnología de materiales, cuyo objetivo está enfocado en evaluar un prototipo de reactor fotocatalítico empleando Dióxido de titanio modificado para uso con luz visible implementado en la región del Vichada y se ubica dentro del área del conocimiento de Ciencias Naturales, Ingeniería y Tecnología. De modo que, ese proyecto permite el análisis y desarrollo de nuevos materiales con aplicación ambiental, como parte de tecnologías innovadoras para el tratamiento de aguas residuales en zonas vulnerables y con deficiencia en la calidad de aguas. En Colombia, el bajo nivel de infraestructura para saneamiento básico y de tratamiento para ARD, incrementan la contaminación de aguas superficiales con concentraciones variables de materia orgánica, nutrientes, detergentes, desinfectantes, medicamentos emergentes y productos de cuidado personal [1]. Por otro lado, en el ARD sin tratamiento o con tratamiento deficiente, pueden estar presentes diferentes tipos de organismos y microorganismos (parásitos, bacterias y virus), que causan infecciones gastrointestinales de origen fecal [2]. Asociado con bacterias del género Escherichia, este es uno de los indicadores de contaminación biológica más importante dentro de los sistemas de protección y control de calidad en aguas residuales y para consumo humano en Colombia [3–5]. En nuestro país, esta problemática entorno al agua, ha generado un detrimento en poblaciones vulnerables, como grupos indígenas, afrodescendientes, desplazados por el conflicto armado y población migrante, ubicados en zonas rurales o distantes a los grandes centros poblados [6]. Para el año 2014, en el plan nacional de desarrollo, se implementaron políticas públicas especiales para el agua y saneamiento básico, observando que el 24 % de la población colombiana se encuentra en zonas rurales y el 44 % de esta población se encuentra en situación de pobreza [7]. La calidad del agua de esta población, expresada como el índice de riesgo de la calidad del agua (IRCA), está alrededor de 58 % promedio en zonas rurales; lo que indica un alto riesgo para la población [6]. Por esta razón, lo que se busca con estas políticas públicas es implementar estrategias que incrementen la cobertura de servicio de acueducto, alcantarillado y aseo [8]. Adicionalmente, en el CONPES 3810 del año 2014 se incluyeron los parágrafos establecidos por Acuerdo Final para una Paz Estable y Duradera, relacionados con garantizar el acceso al agua potable y manejo de las aguas residuales en colaboración con las diferentes comunidades [6]. A pesar de esos esfuerzos por mejorar, solo el 8 % de los departamentos incrementó el número sistemas de acueducto y alcantarillado; pero no es suficiente frente a las necesidades de las comunidades y para el caso del departamento de Vichada, la cobertura fue menor al 37 % con respecto al resto del país [8]. En este departamento los sistemas de tratamiento para aguas residuales son limitados y en algunos casos no alcanzan los niveles de eficiencia exigidos por la normatividad colombiana [3]. La problemática se agudiza porque su capital Puerto Carreño acoge una elevada población de vichadenses, colombianos retornados, indígenas desplazados y migrantes [9]. Estas comunidades tienen grandes necesidades sociales, económicas y educativas. Se apoyan en diferentes instituciones educativas de Puerto Carreño para poder darle a sus hijos una educación de calidad que les permita mejorar sus expectativas de vida [10]. Entre los centros de formación se destaca la Institución Educativa Eduardo Carranza (IEEC). Esta institución se ha destacado en la región por sus proyectos encaminados en promover la formación integral, responsabilidad ambiental y trabajar por las necesidades del departamento [11]. Por lo mismo, a mediados del año 2022, se inició un trabajo colaborativo entre esta institución y la Pontificia Universidad Javeriana, con la formulación de un proyecto social con la comunidad de estudiantes de décimo y once, que se presentó a la convocatoria San Francisco Javier 2022 y fue aprobado [11]. Está institución cuenta con sistemas de tratamiento muy sencillos para el agua residual doméstica (negras y grises) a través de pozos sépticos. Estos sistemas no alcanzan las eficiencias de remoción y tienen presencia de microorganismos de origen fecal. Lo que genera un incremento en el riesgo en la salud de la comunidad, afectan el medio ambiente, dado que, gran parte del ARD generada por todo Puerto Carreño va al río Orinoco con un nivel muy bajo de tratamiento [12]. Para eliminar estas bacterias y oxidar materia orgánica en ARD se han implementado tecnologías no convencionales como los sistemas de oxidación avanzada que se definen como procesos físico-químicos, que utilizan catalizadores para producir reacciones de oxido-reducción generando especies reactivas que producen cambios en la estructura de contaminantes o microorganismos [13]. A su vez dentro de estos procesos se destaca la fotocatálisis heterogénea con dióxido de Titanio (TiO2) como alternativa de tratamiento para ARD [2, 14–16]. El TiO2 es un semiconductor que se encuentra en la naturaleza en su fase cristalina anatasa [17], la cual favorece el proceso de fotocatálisis, acelerando las reacciones químicas entre la superficie del semiconductor y el ARD, empleando la radiación ultravioleta (UV) como fotoinductor. Lo que propicia la generación de pares electrón-hueco (e-/h+) que desencadenan para producción de radicales fuertemente oxidantes [18]. Para ello, se propone medir la capacidad fotocatalítica del semiconductor por medio de la Espectroscopia de Impedancia Eléctrica (EIS) y la capacitancia [19], las cuales dan información con respecto a la movilidad de carga, densidad de portadores de carga y la transferencia de carga quien es la encargada de la generación de especies reactivas de oxígeno que participan en los procesos de oxidación de la materia orgánica e inactivación de microorganismos [20]. Para incrementar la eficiencia, la vida útil del TiO2 y evitar la contaminación secundaria que el TiO2 pueda causar en el agua [21], este material puede depositarse sobre diferentes sustratos, por medio de la elaboración de películas a través de la técnica Atomic Layer Deposition (ALD) por sus siglas en inglés [22]. Esta técnica física que consiste en el crecimiento de una película delgada de TiO2 sobre un sustrato de vidrio; se basa en reacciones superficiales autolimitantes donde los precursores se pulsan alternativamente uno a la vez separado por una purga de gas inerte [22]; de manera que el depósito del material se forma capa a capa formando películas a escala nanométrica [23, 24] y se trabaja con presión media ( 0.1 torr) [25–27]. Dentro de las experiencias previas en el tratamiento de ARD empleando fotocatálisis y que soportan este proyecto. El Grupo de Biotecnología Ambiental e Industrial (GBAI) del departamento de Microbiología y el Grupo de Películas Delgadas y Nanofotónica (GPDyNF) del departamento de Física, han desarrollado desde hace más de 10 años diferentes proyectos de investigación en el tratamiento de aguas residuales empleando procesos de oxidación avanzada como Fenton, foto Fenton y fotocatálisis [2, 21, 28–35]. Gracias a estos proyectos se han formado estudiantes de pregrado en Microbiología Industrial, Maestría en Ciencias Biológicas y Doctorado en Ciencias. Actualmente, se está formando a una estudiante en el Doctorado de Ciencias y Tecnología de Materiales, que está cursando su segundo año y es beneficiaria de las becas bicentenario en el marco de la “Convocatoria del Fondo de Ciencia, Tecnología e Innovación del Sistema General de Regalías para la conformación de una lista de proyectos elegibles para ser viabilizados, priorizados y aprobados por el OCAD en el marco del Programa de Becas de Excelencia” con enfoque en la región del Vichada. A través de esta convocatoria, se busca obtener los recursos para financiar parte de su investigación que titula: Diseño e implementación de un prototipo de reactor fotocatalítico basado en TiO2 modificado/Vis para el tratamiento de aguas residuales domésticas en el Vichada. Adicional, cabe resaltar el trabajo que se viene desarrollando con la Universidad de California, Irvine (UCI); con la cual se realizó un trabajo preliminar desde inicios de 2022 con la revisión de literatura, entrenamiento y pruebas preliminares en la elaboración y caracterización de películas de TiO2 por la técnica de ALD durante el tiempo de pasantía de investigación bajo la supervisión del profesor Camilo Vélez Cuervo, quien para la convocatoria de este proyecto desempeñará un rol como asesor. Por otro lado, también se contará con la participación de la profesora Pilar Barrientos como asesora en la vinculación con la Institución Educativa Eduardo Carranza del Puerto Carreño, con quienes se estableció una colaboración a través de un proyecto social aprobado por la rectoría en el año 2022 [36].