Este trabajo se realizó en el Laboratorio de Diseño y Reactividad de Estructuras Sólidas (Lab-DRES, 125) del Departamento de Química, Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, con la participación del Ing. Sanitario Jhon Edward Chávez Tenorio, estudiante de Maestría en Ingeniería Ambiental, bajo la dirección del profesor Nelson J. Castellanos.
La Industria Cosmética en Colombia es uno de los sectores económicos con mayor tasa de crecimiento durante los últimos años, alcanzando valores cercanos al 7 % anual y posicionándose en 2018 como la cuarta economía cosmética más grande de América Latina, representando el 4.4 % del PIB de la industria manufacturera y el 1.1 % del PIB nacional. Esto claramente sintonizado con el crecimiento a nivel mundial en el sector, que para el año 2019 alcanzó valores cercanos al 9 % y donde a pesar de sufrir en 2020 un decrecimiento del 10 % como producto de la pandemia por el virus SARS-COVID-19, logró un repunte significativo del 8 % para el año 2021[1] [2].
Figura 1. Análisis del crecimiento en miles de millones de dólares de la industria cosmética a nivel mundial hasta 2019. Fuente: (Mejía Zapata, 2018, p. 19).
De acuerdo con el Ministerio de Comercio, Industria y Turismo y la Cámara de la Industria Cosmética y de Aseo de la ANDI, el sector de cosméticos y aseo en Colombia está conformado por tres subsectores: cosméticos, aseo del hogar y absorbentes, siendo el más representativo en términos de producción el primero con un 58.66 %[3] [4] . Por su parte el subsector de cosméticos se divide en los siguientes segmentos (figura 2), que en orden decreciente de ventas son: cuidado de la piel, cuidado del cabello, maquillaje, fragancias, desodorantes, protectores solares, depilatorios, higiene oral, entre otros[5].
Figura 2. Subsectores, segmentos y productos. Fuente: (ANDI, 2016).
A nivel nacional el sector está compuesto por 1090 empresas, de las cuales aproximadamente el 40.0 % son de cosméticos y el 60.0 % de aseo y absorbentes. Dentro de las empresas del sector hay productoras, comercializadoras, maquiladoras y proveedoras de insumos de cosméticos, en donde el 40.0 % de las empresas están ubicadas en Bogotá, seguido de Antioquia con el 23.0 % y del Valle del Cauca con el 13.0 % (figura 3).
Figura 3. Distribución de empresas de cosméticos en Colombia. Fuente: Autor.
A medida que aumenta la producción industrial del sector cosmético, que en muchos casos se asocia al aumento en la calidad de vida, también aumenta la concentración presente de residuos cosméticos, tanto en las aguas residuales residenciales como en las industrias. Estas aguas residuales se caracterizan por tener concentraciones altas de sólidos en suspensión, altos valores en la Demanda Química de Oxígeno (DQO), y la presencia de grasas, aceites y detergentes, surfactantes, aceites naturales, colorantes, fragancias, ceras, polímeros y, en el peor de los casos, metales pesados que resultan ser tóxicos y que es una necesidad tratarlos antes de su descarga a cuerpos receptores[6] [7].
La alta demanda química de oxígeno (DQO) y la baja biodegradabilidad de las aguas residuales provenientes de la industria cosmética tiene efectos negativos sobre el medio ambiente[8], principalmente por disminución del oxígeno disuelto en el agua, la acumulación de compuestos persistentes, el incremento en la velocidad del proceso de eutrofización y la emisión a la atmósfera de compuestos orgánicos volátiles (COV), conllevando a realizar un tratamiento especial a este tipo de aguas residuales antes de su descarga a cuerpos receptores[9].
Por otro lado, los efectos en el medio ambiente de metales pesados tales como plomo, cromo, cadmio, zinc, cobalto, níquel, bismuto y plata, presentes en productos cosméticos, aunque no se estudian comúnmente, han mostrado estar presentes en las aguas residuales de fabricación de cosméticos[10].
Adicionalmente, es necesario mencionar y reconocer que los sistemas de tratamiento convencionales (STC), no se encuentran diseñados para eliminar compuestos refractarios o de baja biodegradabilidad, por lo cual, después del tratamiento de aguas residuales cosméticas (TARIC) a través de procesos convencionales, se deben implementar otras tecnologías, que no afecten negativamente la calidad del agua receptora ya que podrían ser una amenaza para la vida acuática[11]. En la tabla 1 se presentan los rangos de valores típicamente observados en aguas residuales cosméticas.
Tabla 1. Adaptado de “Valores típicos de parámetros seleccionados en aguas residuales de cosméticos”. Fuente: (Dias de Melo et. Al, 2013).
Independientemente de la procedencia del agua residual cosmética, algunas sustancias se encuentran presentes en la mayoría de los casos, destacándose la presencia de los almizcles sintéticos policíclicos como la Galaxolida o mejor conocida como HHCB (1,3,4,6,7,8-hexahidro-4,6,6,7,8,8-hexametil-ciclopenta [g]-2-benzopirano), la tonalide a.k.a. AHTN (7-acetil-1,1,3,4,4,6-hexametil-1,2,3,4-tetrahidronaftaleno), filtros UV y xileno de almizcle (1- terc-butil-3,5-dimetil-2,4,6-trinitrobenceno), el cual por sus propiedades como fijador de perfumes es usado en una amplia variedad de productos de consumo. El uso generalizado de almizcles policíclicos y filtros UV, a largo plazo de exposición han mostrado impactos negativos en la salud humana por sus efectos estrogénicos y la afectación al medio ambiente producto de su acumulación en los lodos finales de las plantas de tratamiento, que al ser empleados como abono en los campos, terminan contaminando aguas superficiales y alimentos en los diferentes ecosistemas[12] [13] [14].
Esta realidad mundial es la que incentiva y origina la búsqueda e implementación de tecnologías alternativas y procesos optimizados de tratamiento de aguas residuales que permita la eliminación o reducción de la toxicidad a niveles aceptables[15].
Tecnologías para el tratamiento del agua residual cosmética
Típicamente las aguas residuales cosméticas son tratadas mediante procesos combinados de coagulación-floculación como un sistema primario de tratamiento, para posteriormente someterlo a un proceso biológico convencional. Sin embargo, también se han evaluado diferentes métodos de remoción de contaminantes que van desde procesos físico-químicos y de adsorción, hasta procesos de oxidación avanzados más conocidos como PAO[16] [17].
Es de notar, que los procesos convencionales físicos-químicos no conducen a la degradación orgánica, sino a su transferencia de fase. Por su parte los procesos biológicos generalmente avanzan a velocidades menores y aunque permiten la degradación, a menudo son inhibidos por sustancias típicas presentes en este tipo de agua residual, particularmente aquellas que interfieren o son tóxicas para los microorganismos, como es el caso de algunos colorantes. Por estas razones, los esfuerzos de investigación se han centrado en desarrollar procesos de oxidación eficientes que incluyan una etapa de pre-tratamiento (para aumentar la biodegradabilidad de los compuestos orgánicos), con un posterior procesamiento para la remoción de materia orgánica[18] [19] [20] [21] [22].
Recopilando los reportes existentes de las últimas dos décadas, sobre diferentes procesos de descontaminación de agua residual industrial procedente de la fabricación de productos cosméticos y de PCP, se encontró que el 35 % de estudios emplean procesos biológicos, el 15 % de estudios se enfocan en procesos físico-químicos y 50 % trabajan en procesos de oxidación avanzada, siendo esta la tendencia de los últimos años. En el caso específico de tratamientos biológicos (figura 4), se han empleado diferentes reactores como el de flujo ascendente de manto anaerobio de lodos (UASB)[23], biorreactores de membrana (MBR)[24], reactores biológicos secuenciales (SBR)[25], reactores anaerobios con deflectores (ABR) y filtros aireados biológicos de flujo ascendente (UBAF)[26].
Figura 4. Procesos biológicos aplicados al tratamiento de aguas residuales cosméticas. Fuente: Autor.
En relación con los tratamientos físico-químicos, se han enfocado en coagulación química seguida de flotación por aire disuelto (C/DAF) (figura 5), principalmente por las ventajas económicas que ofrece, menor producción de lodo, y porque requieren un 30 % menos de área en comparación con el proceso de coagulación y precipitación (C/P) convencional[27].
Figura 5. Sistema experimental de flotación por aire disuelto: 1. Manómetro / 2. Unidad DAF / 3. Compresor / 4. Medidor de pH / 5. Reactor / 6. Agitador magnético / 7. Reactor de separación. Fuente: (Wiliński, P. R. et. Al., 2017).
Dentro de las tecnologías de oxidación avanzada más estudiadas en la degradación de contaminantes en fase acuosa se destacan los procesos Fenton, Electrocoagulación, Electro-oxidación, fotocatálisis heterogénea empleando oxido de titanio (TiO2), fotólisis ultravioleta (UV) o procesos en presencia de luz UV y H2O2.
Figura 6. Ventajas de la oxidación electroquímica. Fuente: Autor.
Dentro de los diversos procesos electroquímicos, la coagulación asistida electroquímicamente o electrocoagulación (EC) ha surgido como un método eficaz, verde y económico donde mediante reacciones de oxidación-reducción se transforma la materia coloidal existente en las aguas residuales en sólidos en suspensión, simplificando su separación del agua por técnicas convencionales de separación sólido/líquido, como decantación, flotación y filtración (figura 7). Un factor importante asociado a este proceso electroquímico es la posibilidad de eliminar otros contaminantes a partir de un proceso de adsorción sobre los precipitados o flóculos de contaminantes presentes en el agua, como compuestos orgánicos y cationes o aniones metálicos[28] [29].
Figura 7. Reacciones involucradas en la electrocoagulación.
Recientemente, en el Laboratorio de Diseño y Reactividad de Estructuras Sólidas (Lab-DRES) del Departamento de Química de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), sede Bogotá, evaluamos un modelo de tratamiento de aguas residuales de la industria cosmética, empleando electrocoagulación en una muestra real del efluente de una fábrica de cosméticos de Bogotá (zona industrial de la calle 80).
Figura 8. Agua residual cosmética sin tratamiento. Fuente: Autor.
Inicialmente, se realizó una caracterización de los micro contaminantes en el agua residual cosmética objeto de estudio, mediante la técnica de micro-extracción en fase sólida en modo espacio de cabeza (HS-SPME), acoplada a cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS), en donde se identificaron 107 sustancias, algunas de estas presentes con frecuencia en aguas residuales cosméticas, como son almizcles sintéticos de xileno, 1-etil-2-metilbenceno, 3-etiltolueno o mesitileno, entre otros[30] [31].
Algunos de los micro contaminantes identificados se caracterizan por ser sustancias solubles en disolventes orgánicos, lipófilos y persistentes en el tejido adiposo, además tienen una alta estabilidad química, baja biodegradabilidad, alto potencial de bioacumulación, alta reactividad fotoquímica y son inestables en medio alcalino. También se identificaron cicloalcanos, cicloalquenos, alcoholes, aldehídos, ácidos, compuestos aromáticos y ésteres, algunos de estos compuestos orgánicos volátiles tóxicos. En la tabla 2 se presentan los compuestos identificados por HS-SPME GC-MS en la muestra residual cosmética, que reportaron las mayores áreas de abundancia y que representan el 80 % del total de las áreas del cromatograma.
Tabla 2. Compuestos Orgánicos Volátiles (COV) detectados en las aguas residuales sin tratar.
Los experimentos realizados se centraron en el análisis de parámetros de gran importancia ambiental como la demanda química de oxígeno (DQO), compuestos orgánicos volátiles (COV) e indicadores de calidad como la turbidez (NTU). Para esto, se estudió la influencia del tipo de electrodo, el pH y el tiempo de retención, en el proceso de electrocoagulación (EC). El tratamiento permitió la eliminación de la demanda química de oxígeno (DQO) del 45.6 %, 53.7 % y 65.0 %, a diferentes pH (3, 6 y 8 respectivamente) empleando electrodos de aluminio (El-Al) como ánodo.
Figura 9. Efecto del pH en la Remoción de NTU y DQO del agua tratada con EC en función del pH y el material del electrodo donde a) electrodo de Fe y b) electrodo de Al. Fuente: Autor.
El tratamiento de EC resultó ser eficaz en la remoción de turbidez logrando la reducción del 77 al 98 % con El-Al como ánodos y una reducción del 54 al 93 % al utilizar como ánodo El-Fe (figura 10). Los mejores resultados en la reducción de contaminantes se obtuvieron usando electrodos de Al como ánodos a pH=8, empleando un tiempo de retención de 20 y 30 min, con densidad de corriente de 18.5 A/m2. El análisis HS-SPME-GC-MS reveló la capacidad del proceso para reducir la concentración de algunos micro contaminantes tóxicos para la vida acuática, presentes en las aguas residuales cosméticas como el de D-limoneno, Acetato de hexilo, 1-etil-2-metil-benceno y Mesityleno.
Finalmente, es importante mencionar que las investigaciones que se desarrollen en la búsqueda de nuevos materiales y procesos para la eliminación de contaminantes industriales y residenciales debe ser motivo de atención y priorización por las organizaciones financiadoras estatales y privadas, buscando privilegiar la protección de los recursos hídricos que eviten el deterioro de la calidad de vida de los habitantes en las poblaciones expuestas a este riesgo, considerando los efectos adversos de las altas concentraciones actuales de residuos cosméticos hasta ahora identificados.
Notas
[1] Bravo, K.; Pereañez, J. A. (2016). Colombian biodiversity, an opportunity for the strengthening of the pharmaceutical and cosmetic industries. Vitae, 23(3), pp. 163-165. https://doi.org/10.17533/udea.vitae.v23n3a01
[2] Mejía Zapata, C. (2018). Estudio sobre bioeconomía como fuente de nuevas industrias basadas en el capital natural de Colombia, Fase II: Análisis del sector cosmético y aseo (anexo 4). Medellín, Universidad EAFIT-Corporación Biointropic, 26 p. Disponible en: https://www.dnp.gov.co/Crecimiento-Verde/Documents/ejes-tematicos/Bioeconomia/Informe%202/ANEXO%204_An%C3%A1lisis%20sector%20cosm%C3%A9tico.pdf
[3] ANDI (2016). Informe de sostenibilidad 2015: Industria de cosmética y aseo. Medellín, Asociación Nacional de Empresarios de Colombia (ANDI), 68 p.
[4] ProColombia (2016). El mundo invierte en Colombia. Cosméticos y productos de aseo. Bogotá, ProColombia, pp. 1-6.
[5] Dias de Melo, E.; Mounteer, A. H.; De Souza Leão, L. H.; Barros Bahia, R. C.; Ferreira Campos, I. M. (2013). Toxicity identification evaluation of cosmetics industry wastewater. Journal of Hazardous Materials, 244-245, pp. 329–334. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.11.051
[6] Ibidem.
[7] Wiliński, P. R.; Marcinowski, P. P.; Naumczyk, J.; Bogacki, J. (2017). Pretreatment of cosmetic wastewater by dissolved ozone flotation (DOF). Desalination and Water Treatment, 71, pp. 95-106. http://dx.doi.org/10.5004/dwt.2017.20552. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/317582548_Pretreatment_of_cosmetic_wastewater_by_dissolved_ozone_flotation_DOF
[8] Puyol, D.; Monsalvo, V. M.; Mohedano, A. F.; Sanz, J. L. y Rodriguez, J. J. (2011). Cosmetic wastewater treatment by upflow anaerobic sludge blanket reactor. Journal of Hazardous Materials, 185(2-3), pp. 1059-1065. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.10.014
[9] Bautista, P., Casas, J. A.; Zazo, J. A.; Rodriguez, J. J.; Mohedano, A. F. (2014). Comparison of Fenton and Fenton-like oxidation for the treatment of cosmetic wastewater. Water Science and Technology, 70(3), pp. 472-478. https://doi.org/10.2166/wst.2014.246
[10] Amneklev, J.; Augustsson, A.; Sörme, L.; Bergbäck, B. (2016). Bismuth and Silver in Cosmetic Products: A Source of Environmental and Resource Concern? Journal of Industrial Ecology, 20(1), pp. 99-106. https://doi.org/10.1111/jiec.12251
[11] Ebrahiem, E. E.; Al-Maghrabi, M. N.; Mobarki, A. R. (2017). Removal of organic pollutants from industrial wastewater by applying photo-Fenton oxidation technology. Arabian Journal of Chemistry, 10(2), pp. S1674-S1679. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2013.06.012
[12] Naumczyk, J.; Bogacki, J.; Marcinowski, P., Kowalik, P. (2014). Cosmetic wastewater treatment by coagulation and advanced oxidation processes. Environmental Technology, 35(5), pp. 541–548. https://doi.org/10.1080/09593330.2013.808245
[13] Ramírez-Sánchez, I. M.; Martínez-Austria, P.; Quiroz-Alfaro, M. A.; Bandala, E. R. (2015). Efectos de los estrógenos como contaminantes emergentes en la salud y el ambiente. Tecnología y Ciencias del Agua, 6(5), pp. 31-42. http://www.scielo.org.mx/pdf/tca/v6n5/v6n5a3.pdf
[14] Bogacki, J. P.; Marcinowski, P.; Naumczyk, J.; Wiliński, P. (2017). Cosmetic wastewater treatment using dissolved air flotation. Archives of Environmental Protection, 43(2), pp. 65-73. http://dx.doi.org/10.1515/aep-2017-0018
[15] Dias de Melo, E. et. Al. Óp. cit.
[16] Michel, M. M.; Tytkowska, M.; Reczek, L.; Trach, Y.; Siwiec, T. (2019). Technological conditions for the coagulation of wastewater from cosmetic industry. Journal of Ecological Engineering, 20(5), pp. 78-85. https://doi.org/10.12911/22998993/105333
[17] Abidemi, B. L.; James, O. A.; Oluwatosin, A. T.; Akinropo, O. J.; Oraeloka, U. D.; Racheal, A. D. (2018). Treatment Technologies for Wastewater from Cosmetic Industry – A Review. International Journal of Chemical and Biomolecular Science, 4(4), pp. 69-80. Disponible en: http://www.publicscienceframework.org/journal/paperInfo/ijcbs?paperId=4288
[18] Ramirez, J. H.; Duarte, F. M.; Martins, F. G.; Costa, C. A.; Madeira, L. M. (2009). Modelling of the synthetic dye Orange II degradation using Fenton’s reagent: From batch to continuous reactor operation. Chemical Engineering Journal, 148(2-3), pp. 394-404. https://doi.org/10.1016/j.cej.2008.09.012
[19] Naumczyk, J.; Bogacki, J.; Marcinowski, P.; Kowalik, P. (2014). Environmental Technology Cosmetic wastewater treatment by coagulation and advanced oxidation processes Cosmetic wastewater treatment by coagulation and advanced oxidation processes, Environmental Technology, 35(5), pp. 541-548. https://doi.org/10.1080/09593330.2013.808245
[20] Marcinowski, P. P.; Bogacki, J. P.; Naumczyk, J. H. (2014). Cosmetic wastewater treatment using the Fenton, Photo-Fenton and H2O2/UV processes. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 49(13), pp. 1531-1541. https://doi.org/10.1080/10934529.2014.938530
[21] Wiliński, P. R.; Marcinowski, P. P.; Naumczyk, J.; Bogacki, J. (2017). Pretreatment of cosmetic wastewater by dissolved ozone flotation (DOF). Desalination and Water Treatment, 71, pp. 95-106. http://dx.doi.org/10.5004/dwt.2017.20552. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/317582548_Pretreatment_of_cosmetic_wastewater_by_dissolved_ozone_flotation_DOF
[22] Bogacki, J.; Naumczyk, J.; Marcinowski, P.; Kucharska, M. (2011). Treatment of cosmetic wastewater using physicochemical and chemical methods. Chemik, 65(2), pp. 94-97.
[23] Puyol, D. et. Al. Óp. cit.
[24] Villamil Martínez, J. A. (2012). Empleo de un biorreactor de membrana (MBR) y un biorreactor híbrido (MBRPAC) para el tratamiento del agua residual de la industria cosmética. Tesis de Maestría para optar al título de Máster en Ingeniería; dir. M. Rodríguez. Bogotá, Universidad de los Andes, 90 p. http://hdl.handle.net/1992/11972
[25] Muszyński, A.; Marcinowski, P., Maksymiec, J.; Beskowska, K.; Kalwarczyk, E.; Bogacki, J. (2019). Cosmetic wastewater treatment with combined light/Fe0/H2O2 process coupled with activated sludge. Journal of Hazardous Materials, 378(15), art. ID: 120732. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.06.009
[26] Zhang, C.; Ning, K.; Guo, Y.; Chen, J.; Liang, C.; Zhang, X.; Wang, R.; Guo, L. (2015). Cosmetic wastewater treatment by a combined anaerobic/aerobic (ABR+UBAF) biological system. Desalination and Water Treatment, 53(6), pp. 1606–1612. https://doi.org/10.1080/19443994.2013.855672
[27] El-Gohary, F.; Tawfik, A.; Mahmoud, U. (2009). Comparative study between chemical coagulation/precipitation (C/P) versus coagulation/dissolved air flotation (C/DAF) for pre-treatment of personal care products (PCPs) wastewater. Desalination, 252 (1-3), pp. 106-112. https://doi.org/10.1016/j.desal.2009.10.016
[28] Castañeda-DÍaz, J.; Pavón-Silva, T.; Gutiérrez-Segura, E.; Colín-Cruz, A. (2017). Electrocoagulation-Adsorption to Remove Anionic and Cationic Dyes from Aqueous Solution by PV-Energy. Journal of Chemistry, 2017, art. ID: 5184590. https://doi.org/10.1155/2017/5184590
[29] Garcia-Segura, S.; Ocon, J. D.; Chong, M. N. (2018). Electrochemical oxidation remediation of real wastewater effluents — A review. Process Safety and Environmental Protection, 113, pp. 48-67. https://doi.org/10.1016/j.psep.2017.09.014
[30] Wiliński, P. R. et. Al. Óp. cit.
[31] Chávez, A. M.; Gimeno, O.; Rey, A.; Pliego, G.; Oropesa, A. L.; Álvarez, P. M.; Beltrán, F. (2019). Treatment of highly polluted industrial wastewater by means of sequential aerobic biological oxidation-ozone based AOPs. Chemical Engineering Journal, 361, pp. 89-98. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.12.064
