Estudio de los principales contaminantes en lavandería industrial y diseño de un sistema de reutilización de agua

Abstract

(English) This doctoral thesis has enabled the development of a technological solution for water reuse in the industrial laundry sector. In addition, the emission of microplastics and emerging pollutants associated with this activity has been studied, focusing on strategies that minimise the problems associated with them. The reuse system, whose main technology is ceramic ultrafiltration, and uses foam fractionation and chemical oxidation as post-treatment, achieves a water reuse rate of 86% in unitary washing processes without affecting their final quality. The design process has been carried out in different phases, including analysis of the feasibility of the technologies, laboratory testing and validation at pilot and real scale. Foam fractionation was tested using an aeration column, which achieved surfactant separation rates of up to 70% from water and, as a result, a surfactant-concentrated stream whose reintroduction in subsequent washing processes improved the removal of certain pattern stains by up to 20%. Preliminary ultrafiltration membrane tests allowed the generation of explanatory models of permeate quality and transmembrane flux from a matrix of working pressure iterations for molecular cut-off sizes from 1 to 1400 kDa. For the pilot-scale validation of ceramic membrane ultrafiltration technology, a direct treatment-reuse process was combined and only 23L of mains water was used in each wash. This was implemented in a 13 kg capacity washing machine over 10 processes and demonstrated the greater efficiency of the 15 kDa membranes over the 50 kDa ones for the separation of anionic surfactants (+9%) and COD (+13%). The analysis of the rinsing efficiency showed more stable results with the use of 15 kDa membranes, which is associated with the greater removal of surfactants throughout the reuse cycles, so this pore size was chosen for the final validation of the system. Finally, ultrafiltration was combined with foam fractionation and chemical oxidation using ozone. These last two techniques coexisted in a cylindrical reactor built for this purpose and placed after ultrafiltration, which increased the removal efficiency of anionic surfactants to 91% after 15 minutes of treatment. In addition, a complete elimination of the colour released by the garments was confirmed, thus avoiding the transfer of this colour to subsequent washing processes. The emission of microplastics during the washing of garments throughout their useful life was estimated at 7,957,942 microfibres per kg of clothing washed. 44% of these microparticles are emitted during the first 5 washes and their emission can be substantially reduced with washing programmes with low mechanical action. The study of emerging contaminants in industrial laundry has shown the presence of this type of compounds in the wastewater generated. These would migrate from the fabrics where they are deposited or impregnated, to the water used in the washing process and would then be discharged into the sewage system. In total, 27 compounds of different types have been detected, such as disinfectants, medicines, antibiotics, drugs of abuse, pesticides and insect repellents. Hospital laundry has been found to be the sub-sector in whose water the highest concentrations and a greater variety of micropollutants have been detected, followed by hotel laundry and work clothes laundry. The elimination of this type of contaminant has been validated with a treatment system, achieving yields of over 98% for most of the compounds studied.

(Català) Mitjançant aquesta tesi doctoral s’ha aconseguit desenvolupar una solució tecnològica de reutilització d’aigua per al sector de la bugaderia industrial. A més, s’ha estudiat l’emissió de microplàstics i contaminants emergents associats a aquesta activitat, centrant-se en estratègies que minimitzin les problemàtiques associades per aquests. El sistema de reutilització, la tecnologia principal de la qual és la ultrafiltració ceràmica, i utilitza el fraccionament d’escuma i l’oxidació química com post-tractament, aconsegueix una taxa de reutilització d’aigua del 86% en processos de rentat unitaris sense afectar la qualitat final d’aquests. El procés de disseny s’ha dut a terme en diferents fases incloent anàlisis de viabilitat de les tecnologies, assajos al laboratori i validacions a escala pilot i real. El fraccionament d’escuma es va testat utilitzant una columna d’aireig mitjançant les quals es van aconseguir taxes de separació de tensioactius de l’aigua de fins un 70% i a conseqüència d’això, un corrent concentrat en tensioactius la reintroducció dels quals en subseqüents processos de rentat va millorar l’eliminació d’unes certes taques patró fins a un 20%. Els assajos preliminars de membranes d’ultrafiltració van permetre generar models explicatius de la qualitat del permeat i flux transmembrana a partir d’una matriu d’iteracions de la pressió de treball per a grandàries de tall molecular des d’1 fins a 1400 kDa. Per a la validació a escala pilot de la tecnologia d’ultrafiltració amb membrana ceràmica, es va combinar un procés de tractament-reutilització directa i es van utilitzar únicament 23L d’aigua de xarxa en cada rentat. Això va ser implementat en una rentadora de 13 kg de capacitat al llarg de 10 processos i va demostrar una major eficàcia de les membranes de 15 sobre les de 50 kDa per a separació de tensioactiu aniònics (+9%) i DQO (+13%). L’anàlisi de l’eficiència dels aclarits va mostrar resultats més estables amb la utilització de les membranes de 15 kDa, fet associat a la major eliminació de tensioactius al llarg dels cicles de reutilització, per la qual cosa es va escollir aquest grandària de porus per a la validació finals el sistema. Finalment, es va combinar la ultrafiltració i amb el fraccionament d’escuma i l’oxidació química mitjançant ozó. Aquestes dues últimes tècniques van coexistir en un reactor cilíndric construït a aquest efecte i situat a posteriori de la ultrafiltració amb el qual es va aconseguir augmentar els rendiments d’eliminació de tensioactius aniònics fins a un 91% després de 15 minuts de tractament. A més, es va comprovar una completa eliminació del color desprès per les peces, evitant així la transferència d’aquest a processos de rentat següents. L’emissió de microplàstics durant el rentat de les peces al llarg de la seva vida útil, es va xifrar en 7.957.942 microfibres per kg de roba rentat. El 44% d’aquestes micropartícules s’emeten durant els primers 5 rentats i la seva emissió es pot reduir de manera substancial amb programes de rentat amb baixa acció mecànica. L’estudi de contaminants emergents en bugaderia industrial ha evidenciat la presència d’aquest tipus de compostos en les aigües residuals generades. Aquests, migrarien des dels teixits on es troben dipositats o impregnats, cap a l’aigua utilitzada en el procés de rentat i, a continuació, serien abocats a la xarxa de sanejament. En total, s’han detectat 27 compostos de diferents tipus com desinfectants, medicaments, antibiòtics, drogues d’abús, pesticides i repel·lents d’insectes. S’ha descobert que, la bugaderia hospitalària es el subsector en les aigües del qual s’han detectat les concentracions més altes i una major varietat de microcontaminants, seguida de la bugaderia hotelera i de roba laboral. L’eliminació d’aquest tipus de contaminants s’ha pogut validar amb un sistema de tractament aconseguint rendiments superiors al 98% per a la majoria de compostos estudiats.

(Español) Mediante esta tesis doctoral se ha conseguido desarrollar una solución tecnológica de reutilización de agua para el sector de la lavandería industrial. Además, se ha estudiado la emisión de microplásticos y contaminantes emergentes asociados a esta actividad, poniendo el foco en estrategias que minimicen la problemática asociada por estos. El sistema de reutilización, cuya tecnología principal es la ultrafiltración cerámica, y utiliza el fraccionamiento de espuma y la oxidación química como post-tratamiento, consigue una tasa de reutilización de agua del 86% en procesos de lavado unitarios sin afectar la calidad final de estos. El proceso de diseño se ha llevado a cabo en diferentes fases incluyendo análisis de viabilidad de las tecnologías, testeo en laboratorio y validación a escala piloto y real. El fraccionamiento de espuma se testó utilizando una columna de aireación mediante las cuales se consiguieron tasas de separación de tensioactivos del agua de hasta un 70% y como consecuencia de ello, una corriente concentrada en tensioactivos cuya reintroducción en subsecuentes procesos de lavado mejoró la eliminación de ciertas manchas patrón hasta en un 20%. Los ensayos preliminares de membranas de ultrafiltración permitieron generar modelos explicativos de la calidad del permeado y flujo transmembrana a partir de una matriz de iteraciones de la presión de trabajo para tamaños de corte molecular desde 1 hasta 1400 kDa. Para la validación a escala piloto de la tecnología de ultrafiltración con membranas cerámicas, se combinó un proceso de tratamiento-reutilización directa en el cual se utilizaron únicamente 23L de agua de red en cada lavado. Esto fue implementado en una lavadora de 13 kg de capacidad a lo largo de 10 ciclos consecutivos y demostró la mayor eficacia de las membranas de 15 sobre las de 50 kDa para separación de tensioactivos aniónicos (+9%) y DQO (+13%). El análisis de la eficiencia de los aclarados mostró resultados más estables con la utilización de las membranas de 15 kDa hecho asociado a la mayor eliminación de tensioactivos a lo largo de los ciclos de reutilización, por lo que se escogió este tamaño de poro para la validación final del sistema. Finalmente, se combinó la ultrafiltración con el fraccionamiento de espuma y la oxidación química mediante ozono. Estas dos últimas técnicas coexistieron en un reactor cilíndrico construido a tal efecto y situado a posteriori de la ultrafiltración con el cual se consiguió aumentar los rendimientos de eliminación de tensioactivos aniónicos hasta un 91% tras 15 minutos de tratamiento. Además, se comprobó una completa eliminación del color desprendido por las prendas, evitando así la transferencia de este a procesos de lavado siguientes. La emisión de microplásticos durante el lavado de las prendas a lo largo de su vida útil, se cifró en 7.957.942 microfibras por kg de ropa lavado. El 44% de estas micropartículas se emiten durante los primeros 5 lavados y su emisión se puede reducir de forma sustancial con programas de lavado con baja acción mecánica. El estudio de contaminantes emergentes en lavandería industrial ha evidenciado la presencia de este tipo de compuestos en las aguas residuales generadas. Estos, migrarían desde los tejidos donde se encuentran depositados o impregnados, hacia el agua utilizada en el proceso de lavado y a continuación serían vertidos a la red de saneamiento. En total, se han detectado 27 compuestos de distintos tipos como desinfectantes, medicamentos, antibióticos, drogas de abuso, pesticidas y repelentes de insectos. Se ha descubierto que, la lavandería hospitalaria es el sub sector en cuyas aguas se han detectado las concentraciones más altas y una mayor variedad de microcontaminantes, seguida por la lavandería hotelera y de ropa laboral. La eliminación de este tipo de contaminantes se ha podido validar con un sistema de tratamiento alcanzando rendimientos superiores al 98% para la mayoría de los compuestos estudiados.