TRATTAMENTO AVANZATO DEI FARMACI NELL’ACQUA

Farmaci sono ora ampiamente rilevati nei sistemi idrici naturali e urbani in tutto il mondo. Fin dagli anni 1980, i programmi di monitoraggio hanno ripetutamente trovato medicinali — inclusi antibiotici, antidolorifici, antiepilettici, antidepressivi, regolatori lipidici e farmaci cardiaci — in fiumi, laghi, acque costiere, acque sotterranee e persino acqua potabile trattata. La loro presenza varia da luogo a luogo, a seconda di quanto una comunità utilizzi specifici medicinali e di quanto siano efficaci i suoi sistemi di trattamento delle acque reflue.

Queste sostanze tipicamente compaiono in concentrazioni molto basse, ma possono comunque influenzare gli ecosistemi perché sono biologicamente attive per progettazione. Gli studi mostrano che un campione d’acqua può contenere una miscela di molti differenti prodotti farmaceutici allo stesso tempo. Tra tutte le categorie di farmaci, gli antibiotici sono i più frequentemente rilevati a livello mondiale, seguiti da comuni analgesici come ibuprofene e diclofenac. Le regioni con elevato uso di medicinali e solidi programmi di monitoraggio — come alcune aree dell’Europa e dell’Asia — riportano i più alti tassi di rilevamento.

I prodotti farmaceutici si trovano comunemente nelle acque reflue ospedaliere, nell’influente e nell’effluente degli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP), nelle acque superficiali, e occasionalmente nelle acque sotterranee e nell’acqua potabile. La loro distribuzione cambia con le stagioni, le abitudini di consumo locali e la vicinanza alle fonti di inquinamento.

2. Fonti e Vie di Diffusione della Contaminazione Farmaceutica

2.1 Principali Sorgenti di Contaminazione

Le principali fonti puntuali includono ospedali, impianti di trattamento delle acque reflue, e impianti di produzione farmaceutica. Le fonti non puntuali includono scarichi domestici, ruscellamento agricolo, operazioni di allevamento, acquacoltura, e la scorretta eliminazione dei medicinali non utilizzati.

2.2 Il Percorso Ambientale

Dopo essere consumati da esseri umani o animali, i farmaci subiscono trasformazioni metaboliche — reazioni di Fase I (come ossidazione o idrolisi) e reazioni di Fase II (come coniugazione). Sia i composti originali non modificati sia i loro metaboliti vengono escreti e trasportati nei sistemi fognari. Gli impianti di trattamento delle acque reflue possono rimuovere parte di questo carico, ma molti farmaci passano attraverso il trattamento e vengono rilasciati nell’ambiente.

Una volta scaricati, i farmaci si muovono attraverso suolo e acqua mediante lisciviazione, adsorbimento e desorbimento, degradazione chimica e trasformazione microbica. La loro mobilità dipende in larga misura dalla loro solubilità, polarità, costante di dissociazione (pKa) e da come si partizionano tra acqua e sedimenti.

Il modello ampiamente utilizzato fonte–percorso–recettore aiuta a spiegare come i farmaci si trasferiscono dalle attività umane verso fiumi, suoli, acque sotterranee e, infine, alle risorse idriche destinate al consumo umano. Questo modello evidenzia l’importanza di comprendere ogni fase — dall’uso e smaltimento fino al trasporto ambientale — per gestire efficacemente e ridurre la contaminazione da farmaci.

3. Metodi di Trattamento: Dalle Soluzioni Convenzionali all’Avanzato

Gli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) sono principali punti di controllo per i farmaci, perché grandi quantità di questi composti raggiungono i sistemi fognari dopo l’uso umano e veterinario. Gli WWTP si basano in larga misura su processi biologici, che possono degradare alcuni farmaci lasciandone altri intatti.

3.1 Trattamento Biologico Convenzionale

I metodi più comuni includono fanghi attivi, filtri percolatori, lagune aerate, digestione anaerobica e vasche di stabilizzazione.

La rimozione dei farmaci avviene tramite biodegradazione e adsorbimento sui fanghi.

I composti con alto potenziale di adsorbimento spesso si accumulano nei sedimenti, mentre i farmaci più persistenti attraversano il sistema. Le efficienze di rimozione variano ampiamente a seconda del tipo di farmaco; la tendenza tipica è:

Stimolanti > metaboliti > analgesici > antibiotici > farmaci anti-infiammatori > regolatori lipidici > FANS> farmaci persistenti

3.2 Zone umide artificiali

Le zone umide costruite offrono un opzione di trattamento ecologica e a basso costo. Esse combinano assorbimento da parte delle piante, attività microbica e adsorbimento nel suolo per rimuovere i farmaci.

Hanno diversi vantaggi:

• Buona rimozione complessiva.
• Basso consumo energetico.
• Requisiti operativi minimi.

Tuttavia, richiedono ampie superfici di terreno e lunghi tempi di ritenzione, il che ne limita la fattibilità nelle aree urbane dense.

4. Tecnologie di Trattamento Avanzato (AWT) per la Rimozione dei Farmaci

Le tecnologie di trattamento avanzate raggiungono efficienze di rimozione molto più elevate e sono sempre più utilizzate per trattare sia acqua potabile sia acque reflue. La Sezione 3.3 tratta le soluzioni moderne più efficaci.

4.1 Nanofiltrazione (NF)

Le membrane a nanofiltrazione possono rimuovere oltre il 90% di molti farmaci. La loro efficienza è determinata da:

• Selezione dimensionale (molecole più grandi non possono passare).
• Repulsione elettrostatica tra farmaci caricati e superfici della membrana.
• Interazioni idrofobiche.

L’efficienza di rimozione dipende dalla dimensione, polarità e carica del farmaco, così come dalle proprietà della membrana e dalle condizioni operative.

Ad esempio, i farmaci con carica negativa come il sulfametossazolo vengono rifiutati più efficacemente a valori di pH più alti, perché l’ionizzazione aumenta la repulsione.

La nanofiltrazione (NF) è ampiamente studiata grazie alla sua elevata efficienza, ma deve essere gestita con attenzione per evitare incrostazioni.

4.2 Osmosi Inversa (RO)

L’osmosi inversa (RO) è una delle tecnologie più potenti per la rimozione dei farmaci, raggiungendo spesso una rimozione >90–95%. La RO funziona applicando una pressione superiore alla pressione osmotica, costringendo l’acqua a passare attraverso una membrana densa mentre la maggior parte dei contaminanti viene respinta.

La performance dipende da:

• materiale della membrana
• dimensione dei pori / cutoff del peso molecolare (MWCO)
• interazioni idrofobiche o elettrostatiche tra farmaci e la membrana

Esempi riportati nella revisione includono:

• 85% di rimozione di alcuni FANS dalle acque sotterranee
• 95% di rimozione in un impianto di acqua potabile tedesco utilizzando membrane in poliammide e acetato di cellulosa

I limiti includono incrostazioni, sensibilità agli ossidanti, alti costi operativi e la necessità di gestione della salamoia.

4.3 Processi di Ossidazione Avanzata (AOPs)

Le AOP (Processi Ossidativi Avanzati) utilizzano radicali altamente reattivi — in particolare i radicali idrossilici (•OH) — per degradare i farmaci in molecole più semplici. Esse sono tra i metodi più efficienti descritti nell’articolo.

Le AOPs più comuni includono:

• ozonazione (O3)
• UV/H₂O
• O₃/H₂O₂
• processi di Fenton e photo-Fenton
• fotocatalisi
• ossidazione elettrochimica

Questi metodi raggiungono livelli di degradazione fino al 99% per molti farmaci come ibuprofene, diclofenac, ciprofloxacina, tetraciclina, carbamazepina, sulfametossazolo e 17α-etinilestradiolo. Le AOP fotochimiche spesso superano il trattamento con ozono singolo.

Le sfide includono domanda energetica e la formazione di sottoprodotti di trasformazione.

4.4 Processi Combinati e Ibridi

I sistemi ibridi combinano processi complementari per migliorare la rimozione complessiva e ridurre la formazione di sottoprodotti nocivi.

Examples include:

• AOP + trattamento biologico
• Le AOPs degradano prima i farmaci persistenti
• La biodegradabilità aumenta drasticamente
• e.g., il pretrattamento Fenton aumenta la rimozione dei chinoloni dal 33% al 95%
• Adsorbimento + ozonazione
• L’ozono distrugge i contaminanti
• Il carbone attivo cattura gli intermedi
• Rimozione complessiva 90–100%
• Fotocatalisi + nanofiltrazione
• Il fotocatalizzatore degrada i farmaci
• La NF rimuove le particelle del catalizzatore e i residui
• RO + carbone attivo
• il carbone attivo protegge la RO dal fouling
• Migliora la performance a lungo termine

Questi treni di trattamento integrati rappresentano alcune delle soluzioni più efficaci per la gestione moderna delle acque e delle acque reflue.

4.5 Rimozione per Adsorbimento (Carbone Attivo)

La sorbimento è uno dei metodi più utilizzati per eliminare i farmaci sia nell’acqua potabile sia negli WWTPs. Il carbone attivo è particolarmente efficace grazie alla sua elevata superficie e alle forti interazioni con le molecole organiche.

I farmaci vengono rimossi tramite:

• interazioni idrofobiche
• interazioni pi–pi
• attrazione elettrostatica
• legami a idrogeno

Il biochar, le argille, i sorbenti minerali e i materiali ingegnerizzati mostrano anch’essi buone prestazioni.

I limiti includono la saturazione del sorbente e il costo della rigenerazione o sostituzione.

I processi di scambio ionico sono discussi, ma si osserva che sono in gran parte inefficaci per la maggior parte dei farmaci.

Pubblicheremo maggiori dettagli sui diversi metodi di trattamento nei prossimi articoli.