PROYECTO DE TESIS
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA PLANTA LECHERA MEDIANTE ELECTROCOAGULACION
$ PLANT PLANTEA EAMIE MIENT NTO O DEL DEL PROB PROBLE LEMA MA $
CARA CARACT CTER ERIZ IZA ACION CION DEL DEL PROB PROBLE LEMA MA:: La Industria láctea genera gran cantidad de aguas residuales, concentrando en estas la mayor cantidad de contaminantes orig origina inado doss en sus sus proc proces esos os.. Las Las Aguas guas resi residu dual ales es de la industria láctea se caracterizan por poseer una gran cantidad de materia orgánica, especialmente grasas y aceites, además de sólidos suspendidos y valores de pH que se salen de los rango rangoss acepta aceptable bless para para vertim vertimien iento. to. En la indust industria ria láctea láctea pres presen enta tan n una una cont contam amin inac ació ión n prin princi cipa palm lmen ente te de cará caráct cter er orgánico
(!"
y #" elevadas$,
con
una elevada
concentración de grasas, nitrógeno y %ós%oro. El tratamiento de las aguas residuales tiene como propósito remo remove verr los los cont contam amin inan ante tess que que per&u per&udi dica can n el ambi ambien ente te
$.".2. 3USTI'ICACION La industria láctea genera cantidades signi%icativas de residuos l'quidos, mayormente lec*e diluida, lec*e separada, crema y suero, incluyendo grasas, aceites, sólidos suspendidos y nitrógeno. La descarga de stos sin tratamiento previo se convierte en un %oco contaminante. Los lavados contienen residuos alcalinos y qu'micos utilizados para remover la lec*e y los productos lácteos- as' como materiales total o parcialmente caramelizados de los tanques, tambos, latas mantequeras, tinas, tuber'as, bombas, salidas calientes y pisos. En Espaa, el Instituto /ecnológico Agroalimentario (AI0IA$ *a estimado que la relación de litros de agua residual por litro de lec*e procesada es de 1 a 2. Los vertidos procedentes de restos de lec*e, lactosuero (contiene el 345 de nutrientes del producto inicial$ y salmueras aumentan considerablemente la carga contaminante del vertido %inal. 6e debe considerar que posiblemente en 7er8 la relación sea mayor por la menor tecni%icación que se tiene en la producción de derivados lácteos y, de igual manera, las prdidas de lec*e sean mayores.
metano en el biogás de
,
Luciana Sanches
Sousa, 2009 )
En esta investigación realizada en De>ico, se usó un reactor electroqu'mico tipo batc* de L y se realizó un estudio volta y cronopotenciomtrico para obtener condiciones de potencial y corriente empleando 4 electrodos soportados sobre placa de te%lón y separación 1C mm- aluminio y *ierro como ánodos, gra%ito y ó>ido de rutenio=titanio como cátodos y un electrodo de re%erencia. En y durante la E) se evaluó la cintica considerando como respuesta el mayor porcenta&e de remoción de la !" o porcenta&e de e%iciencia y variación del pH y p. 6e concluye que el me&or arreglo de electrodos %ue el del par AlF">:ut. 6e obtuvo una variación del pH y p como resultado de reacciones anódicas y catódicas- las principales variaciones se producen con los arreglos GeF ">:ut y AlF">:ut. En las primeras 3 *oras el pH incrementó de 2,3 a 3,B; y a B,
ima variación signi%icativa as' como la mayor remoción de la !" por %ormación
sucedió en esta investigación. ( Klvaro Arango :u'z,Luis
arcs
iraldo,CC;$
Analizaron la in%luencia de los electrolitos soporte en la o>idación de electrodos de aluminio y la variación del pH durante la electrocoagulación de una muestra de lec*e sin desnatar, una emulsión de aceite de corte, evaluando la remoción de (!"$ y la disminución de la turbidez. Encontraron que los iones de cloro y amonio %ueron bene%iciosos en la corrosión del aluminio y en la regulación del pH, mientras que los cationes de sodio tuvieron un rol neutral. La electrocoagulación se realizó a un potencial anódico ba&o. ( /rompette. .L, ?ergnes. H. CC@$
Estudiaron el tratamiento de e%luentes de la industria láctea por electrocoagulación usando electrodos de aluminio. La e>perimentación %ue llevada a cabo sobre un agua residual arti%icial derivada de una solución de lec*e en polvo. Los %lóculos generados durante este tratamiento %ueron separados por %iltración, el análisis del %iltrado mostró que la demanda
electrolito de 1@,3; g=L que alcanzó una remoción de @,;5 !". (Nray, ., Altunay, 7., Abdurra*man, /., CC;$
Estudiaron el tratamiento de aguas residuales de la industria láctea usando electrodos de acero dulce. Investigaron la electrocoagulación con corriente directa en la remoción de !" y grasa de las aguas residuales de la industria láctea. En la electrocoagulación se analizaron los e%ectos del pH inicial, el tiempo de electrolisis, la concentración inicial de !", la conductividad y la densidad de corriente. EL !" y la grasa en %ase acuosa %ueron removidos cuando se utilizó *ierro como ánodo de sacri%icio. Los rangos de operación óptima para cada variable de operación se determinaron. Los e>perimentos por lotes revelaron que el !" y la grasa en %ase acuosa %ueron removidos, el promedio de remoción alcanzada %ue de @35 y @@5, respectivamente. El óptimo en la densidad de corriente %ue de 13,4CC mg !"=L y 2<;C mg de grasa=L con un área anódica de C,B mA=cm , el óptimo para el pH %ue de ; y el óptimo para el tiempo de electrolisis %ue de 1 min- mientras que el consumo de energ'a %ue de
comportamiento qu'mico, reacciones y mecanismos, ni provea las *erramientas su%icientes parael diseo y operación de los reactores. Es importante aclarar que en las di%erentes publicaciones que se *an venido *aciendo sobre el tema se encuentran una serie de diseos a escalas de laboratorio y piloto, pero no *ay diseos de reactores prototipos en uso *oy en d'a. La literatura disponible básicamente se limita a comparar los traba&os reportados (Holt et al., CC<- "EI, CCB- :estrepo et al., CCB$.
La electrocoagulación con electrodos de aluminio y *ierro %ue patentada en 1@C@ en Estados 9nidos y %ue aplicada por primera vez en una planta de potabilización de agua a gran escala en 1@2B. ebido al alto costo de inversión y el costo de la electricidad en aquellas pocas, la electroqu'mica no tuvo muc*a acogida en la industria. A pesar de ello, en Estados 9nidos y :usia se realizaron numerosas investigaciones y se logró acumular gran cantidad de conocimiento ()*en, CC2$.
"
BASES TE4RICAS:
consumo de agua de mala calidad ()umbre de o*annesburgo, CC- 90, CC3$. El <@5 del consumo total de agua en los pa'ses desarrollados se destina a uso industrial, el 4C5 a consumo agr'cola y un 115 a gasto domstico. El sector productor no sólo es el que más gasta, tambin es el que más contamina. Dás de un 3C5 de los desec*os peligrosos del mundo se producen en los pa'ses industrializados, mientras que en las naciones en v'as de desarrollo un ;C5 de los residuos que se generan en las %ábricas se vierten al agua sin ning8n tipo de tratamiento previo, contaminando as' los recursos *'dricos disponibles (90, CC3$. Estos datos aportan una idea de la importancia que tiene el tratamiento adecuado de los e%luentes generados en las industrias, estos tratamientos deben satis%acer aspectos tales como ser adecuados para el propósito, tener una alta e%ectividad y ser de ba&os costos, y adicionalmente traer venta&as
una emulsión$, bien por neutralización de cargas o bien por %ormación de enlaces intrapart'cula.
'ACTORES 5UE A'ECTAN LA ELECTROCOAGULACION
o
LA DENSIDAD DE CORRIENTE Llamada tambin la carga elctrica aplicada son algunos de los parámetros a optimizar en el proceso de coagulación asistida electroqu'micamente, ya que determinan la cantidad de metal (DnV$ que se libera en el sistemaR altas densidades
de
corriente
permiten
unidades
de
electrocoagulación más pequeas. 6in embargo, cuando se emplean densidades de corriente demasiado elevadas, aumenta el empleo de energ'a elctrica para la reacción paralela de generación de o>'geno y tambin la potencia
potencial de la celda, y con ello en los costes de tratamiento. ()*en, CC2$ o
TEMPERATURA El
e%ecto
de
la
temperatura
en
el
proceso
de
electrocoagulación *a sido poco estudiado, si bien se *a encontrado un má>imo en la e%icacia de corriente con la temperatura a BC W) en el proceso de disolución de aluminio Asimismo, se *a observado un m'nimo en el consumo de energ'a a 4< W), en el tratamiento de aguas residuales contaminadas con aceites. 6in embargo, el calentamiento del agua para alcanzar estas condiciones (e>cepción *ec*a del incremento de temperatura debido al e%ecto oule, que ocurre de %orma no intencionada$, no tiene sentido desde el punto de vista económico. ()*en, CC2$.
de
electrodos
metálicos
de
sacri%icio,
normalmente
aluminio=*ierro.
6
PH: El /H es
una
medida
de acidez o alcalinidad de
una disolución. El pH indica la concentración de iones *idrógeno XHYV presentes en determinadas disoluciones.
6
DENSIDAD DE CORRIENTE: La densidad de corriente elctrica se de%ine como una magnitud vectorial que tiene unidades de corriente elctrica por unidad de super%icie, es decir, intensidad por unidad de área. Datemáticamente, la corriente y la densidad de corriente se relacionan comoR
I es la corriente elctrica en amperios A
Las caracter'sticas %'sicas y qu'micas del lactosuero, son presencia
de solidos suspendidos, pH acido, y la relación de #"=!" \C.B.
9.
OB3ETI&OS: ]
Gene(al:
"btener el óptimo tratamiento de aguas residuales de una planta lec*era mediante la electrocoagulación.
6
Es/e*01i*os:
eterminar el pH, carga, densidad de corriente y tiempo óptimo
para lograr una electrocoagulación e%ectiva. )aracterizar %'sica y qu'micamente aguas residuales.
proceso de coagulación asistida electroqu'micament e Es un parámetro que eval8a si una sustancia es acida o pHmetro básica.
pH
!"
Es la cantidad de o>'geno para o>idar compuestos Análisis qu'mico presentes en el agua.
F pH ácido FpH básico
CF3C
;. METODOLOG
Ti/o ,e inesti8a*i+n: La investigación es de tipo aplicada, debido a que se *ará uso de las
mg=L
electrogenerados dentro la celda de reacción en el monta&e pero sin llegar a %ormar los %lóculos, posteriormente se llevó a cabo la %loculación.
Figura 1 !onta"e para el reactor de electrodisolución
La celda de reacción que se aprecia en la %igura permitió el contacto del agua con contenido de lactosuero con los electrodos, los cuales permitieron el paso de corriente que provino de una %uente (E>tec* Instruments, modelo 433C$.
Esta medición se realizó con la norma A6/D y se *izo en un espectro%otómetro (9? 13CC 6HIDA9$, con el que se utilizó el mtodo de digestión de sistema abierto con una solución patrón de dicromato de potasio (O)r";$ a una concentración de C,<0- se usó como catalizador una solución de Ag6"2 en H6"2, el procedimiento se llevo a cabo a presión atmos%rica y para la medición se utilizó una curva de
Inicialmente, se %i&aron las variables de densidad de corriente ($, carga (q$ y pH, para evaluar su in%luencia sobre el porcenta&e de reducción de color y turbidez del agua de lavado con contenido de lactosuero. La celda de reacción se cargó con un contenido de 1CmL de agua de lavado con contenido de lactosuero, lo que permitió un área super%icial activa de 4B cm . El tiempo de duración de la electrodisolución se calculó con las cargas evaluadas para el proceso (;CC, 11CC y 1
*icieron al %inal del proceso, usando para esto el sobrenadante despus de %iltración.
e> Meto,olo80a ,e las /()e-as /(elimina(es: 6e realizaron ensayos e>perimentales con el %in de determinar los valores adecuados para los cuales las variables manipuladas o%rec'an resultados %avorables. Las variables que se manipularon durante las pruebas preliminares %ueronR ensidad de corrienteR se varió desde 1mA=cm *asta 41 mA=cm , espec'%icamente se midió a
1,,4,2,<,B,;,1C,1<,,41 mA=cm )argaR se varió desde
1CCC )=L, 1
1,<. La cantidad de pol'mero 7AD agregado se varió desde *asta 12 ppm.
)on las condiciones de operación encontradas se escogió un diseo de e>perimentos con tres %actores y tres niveles del tipo diseo central rotatorio #o>F#e*nen y para el que posteriormente se analizar'a en base a una super%icie de respuesta. 7ara el diseo central rotatorio la matriz de diseo para 4 %actores y 4 niveles es la siguienteR
#uente$ Bo%, &' and Behnen, *+ (9-0)
)on este diseo el n8mero total de repeticiones %ue de 1< (0S1<$. En la /abla se presentan los %actores y la asignación para cada uno de los tres niveles.
A-(eia*i+n ,e &a(ia-les
la a(ia-le
$
Nieles #
$
La muestra será de 1CC mL de cada vertido de aguas residuales de una planta lec*era.
;.9.
T=*ni*as e inst()mentos ,e (e*ole**i+n ,e ,atos: Las tcnicas a utilizar para la recolección están basadas en la utilización de so%t`are como Dini /ab, #loc de notas, y a la vez, aplicar diversos mtodos de tratamiento de aguas residuales por electrocoagulación.
;.%.
P(o*e,imiento ,e (e*ole**i+n ,e ,atos: 7ara la recolección de datos se procederá de la siguiente maneraR 6e realizaran 4 corridas con di%erentes medidas de pH, iguales condiciones de carga y densidad de corriente, para la remoción de contaminantes de aguas residuales por electrocoagulación.
;.;.
T=*ni*as ,e /(o*esamiento ? anlisis ,e ,atos: 7ara el análisis de datos se *ará uso de so%t`are Dinitab, para su
CORRIDA $: )on las condiciones anteriores de pHS@,<, )argaS 11CC ()=L$ y densidad de corrienteS ;mA=cm se realizó un ensayo, denominado ensayo A, con los siguientes resultadosR .a/la 5 Cantidades reportadas por el ensayo A
Unidades Turbiedad 0/9 Absorbancia Ph DQO Dg=L Cloruros Dg=L
Cantidad 11 C,423 ; B2;4 @;
#igura2 'nsayo A, con p4 9,6, Carga 00C7L y densidad de corriente 83A7c32
Unidades Turbiedad 0/9 Absorbancia Ph DQO Dg=L Cloruros Dg=L
Cantidad B;,@ C,13B ; @
CORRIDA 2: La corrida 4 mostró una disminución en los parámetros que son regulados por el decreto que reglamenta las condiciones del agua como vertimiento industrial- seg8n este decreto, la corrida 4 cumple con las cantidades permitidas para vertimientos industriales. .a/la6 Cantidades reportadas por la corrida 5
•
)on base en las pruebas preliminares se establecieron los rangos de traba&o, en los cuales se encontró la má>ima reducción de turbidez y de color, que se dieron enR )arga entre ;CCF1
•
2
cm
y pH entre @,
ebido al análisis estad'stico, el %actor que más in%luyó en la reducción del !" es la densidad de corriente, la reducción del color se vio in%luenciada por el aumento de la carga y el pH y la reducción de la
•
turbidez se vio in%luenciada por el aumento del pH. La má>ima reducción de !" %ue de 3C,B<5 con las siguientes condicionesR pH @,<, )arga 11CC)=L y densidad de corriente ;mA= 2
cm .
•
el estudio se concluye que se podr'an obtener un me&or resultado en la disminución del !" si se utiliza una densidad de corriente alrededor de ; (mA=
2
cm
$, un pH alrededor de @ y una carga de 1
$#. ASPECTOS ADMINISTRATI&OS: $#.$. C(ono8(ama ,e a*tii,a,es: MESES ACTI&IDADES
Ene
'e-
Ma(
A-(
Ma?
3)n
3)
A8o
Semana
Semana
Semana
Semana
Semana
Semana
Semana
Semana
$"
$"
$"
Gormulación del proyecto :ecopilación #ibliográ%ica 7reparación de materiales y equipos :ecopilación de datos /ratamiento de datos :esultados y iscusión :edacción del borrador del in%orme %inal 7resentación y e%ensa de la /esis
27
$"
27
$"
27
$"
27
$"
27
27
27
$"
27
$#.". P(es)/)esto ? 1inan*iamiento: DESCRIPCI4N REACTI&OS E INSUMOS 6ul%ato de mercurio cristalizado 6olución de sul%ato de plata Kcido sul%8rico SUBTOTAL
COSTO UNITARIO S. 1
CANTIDAD
TOTAL S.
C1 C4 C
1
4CC.CC 13C.CC @.CC 1.CC
C4 B C C1
@CC.CC 23C.CC 13.CC 1.CC 121C.CC
2CC.CC 1CC.CC
C C1
3CC.CC
C1
MATERIALES Knodos de cobre )ubetas de plástico. 7apel toalla 7apel bond
SUBTOTAL E5UIPOS 7otenciómetro Dantenimiento de equipos
SUBTOTAL BIENES Dateriales de escritorio
$$. RE'ERENCIA BIBLIOGRJ'ICA 1. ALFA LAVAL. Manual de industrias lácteas. Madrid :A. MadridVicente 1!!". #.1$. %. A&A'(O A. (A&C)* L. F. Dise+o de una celda de electrocoa,ulaci-n #ara el trataiento de a,uas residuales de la industria láctea. Uni/ersidad 0ait Vol. 23 '4 12$:5676$. %""$. 8nluencia de la conducti/idad el9ctrica en la electrocoa,ulaci-n de a,uas residuales de la industria láctea. Producci-n Li#ia ;
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15.
PA&&A =U0&TA* &.A. CAMPO* MO'T80L &.(. %"13B. Trataiento de lactosuero ácido en un reactor UA*> a dierentes car,as
Problema General:
Objetivos
Hipótesis
Variables e Indicadores Independientes : pH 3ndicador# *umento y disminución de pH luego de la electrocoagulac ión"
General: General: ] !btener el &l tratamiento ] ¿Cómo óptimo de aguas2" obtener el tratamiento de residuales óptimo aguas mediante la tratamiento residuales de electrocoagulaci de aguas una planta ón removerá residuales lechera más del '() de de una mediante la contaminantes" planta electrocoagul Específicos: lechera ación" 4" $ensidad de mediante la corriente : * pH básico, 3ndicador de la electrocoagu Específicos# con una carga eléctrica lación? el densidad de necesaria para + Específicos ] $eterminar pH, corriente de + la : conductividad, y más de ' electrocoagulac 6 ¿Cuál es el densidad de horas de ión" pH, corriente y electrocoagulaci Dependientes: densidad de tiempo óptimo ón, se obtendrá corriente y
Metodología 6étodo de investigación# 6étodo científico 7ipo de investigación# *plicada $ise8o de investigación# $ise8o e5perimental factorial completo, con un punto pseudo9 central *lcance de la investigación# Correlacional ;oblación# " -a población estará constituida por los vertidos de aguas residuales de una planta lechera"
6initab"
