PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN El río Chili viene soportando una fuerte contaminación debido al vertido de aguas residuales domésticas , aguas residuales industriales (desechos químicos de cromo, cadmio, zinc, mercurio, ácidos, etc.) y residuos sólidos (basura), que lo están dañando seriamente y comprometiendo a la salud de la población arequipeña. Por otro lado, los agricultores utilizan el agua del río Chili para el riego de sus cultivos.
1.2 HIPÓTESIS El extracto de nopal de las especies colectadas puede ser útil en el proceso de clarificación de agua así como en la remoción de metales pesados.
1.3. OBJETIVOS 1.3.1. OBJETIVO PRINCIPAL: •
Diseñar, un sistema de tratamiento ecológico con coagulantes naturales extraídos de especies de opuntia (nopal). Para la purificación de aguas contaminadas destinadas al riego de cultivos.
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: •
•
•
Interpretar el análisis fisicoquímico de las aguas del río Chili, de la zona del puente de Tiabaya – Arequipa. Realizar la extracción de floculante natural a partir de las pencas del nopal. Determinar la concentración óptima para el tratamiento de aguas.
1.4. JUSTIFICACIÓN 1.4.1.
SOCIAL
:Los
agricultores usan los reservorios de aguas para poder lavar sus frutos agrícolas, pero estas aguas están contaminadas . Estos cultivos son consumidos por la población de Arequipa, existiendo un alto riesgo de transmisión de enfermedades. Asimismo, esta alta concentración de contaminantes perjudica a los agricultores debido al rechazo de algunas empresas agro-exportadoras, para acceder a comercializar los productos fuera del país.
1.4.2. TECNICA: En el mundo se utiliza como coagulante tradicional el sulfato de aluminio (Al2 (SO4)3), llamado comúnmente Alúmina . La disponibilidad de este coagulante en países en vías de desarrollo no logra satisfacer la demanda total.
1.4.3. AMBIENTAL :La contaminación generada por los desechos domésticos e industriales deteriora no solo la calidad del agua, sino también l de los suelos..
El tratamiento de aguas residuales consiste en aplicar una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los contaminantes. El objetivo del tratamiento es producir agua limpia o reutilizable, a la vez que un residuo sólido o fango (también llamado biosólido o lodo) conveniente para su disposición o reuso. A este tratamiento es muy común llamarlo depuración de aguas residuales, para distinguirlo del tratamiento de aguas para su potabilización.
2.2 COMPONENTES DE LAS CACTACEAS
Las cactáceas presentan un complicado proceso metabólico que da origen a la formación de muy diversos compuestos orgánicos.. A continuación se describen las más importantes.
Almidón
Celulosa
Gomas
Mucilagos
2.3 CULTIVO DEL NOPAL .3.1 Taxonomía El nopal pertenece a la familia Cactaceae, comúnmente conocida como cactácea o cactus. Las cactáceas son plantas que caracterizan los paisajes de desiertos y zonas áridas, aunque una gran diversidad de especies se encuentra en zonas tropicales, subtropicales y templadas. Tabla N°1. Taxonomía del Nopal.
Figura N°1: Pencas de nopal
2.3.2 DESCRIPCIÓN FÍSICA Opuntia Ficus Indica: Casi no tiene espinas. Es un vegetal arborescente de 3 a 5 metros de alto, su tronco es leñoso y mide entre 20 y 50 cm. de diámetro. Forma artículos oblongos (pencas o cladodios) de 30 a 60 cm. de largo x 20 a 40 cm. de ancho y de 2 a 3 cm. de espesor. Sus ramas están formadas por pencas de color verde opaco con areolas que contienen espinas más o menos numerosas, amarillas y produce flores de 7 a 10 cm. de largo, su fruto es oval de 5 a 10 cm. de largo x 4 a 8 cm. de diámetro y su color puede ser amarillo, anaranjado, rojo o purpúreo con abundante pulpa carnosa y dulce.
Figura N°2: Planta adulta de nopal Cladodios
2.3.4 REQUERIMIENTOS DEL CULTIVO
Clima: Se adapta perfectamente a condiciones de climas cálidos y subcálidos Con temperaturas que oscilan entre los 16 a los 25°C, no tolera las heladas, requiere de 200 a 500 mm.
Suelo: Se desarrolla perfectamente en una diversidad de suelos, pero su máxima producción se obtiene en suelos areno-calcáreos, sueltos, fértiles, poco profundos,
Agua: Especie muy resistente a los veranos prolongados y/o épocas de sequía extrema.
Nutricionales:. Se debe aplicar el fertilizante, abriendo previamente un surco de 5 cm. de profundidad, alrededor de la planta, siguiendo el trazado que proyecta la sombra de la copa, lo que evita quemaduras en la planta.
NATURALEZA DE LAS PARTICULAS EN EL AGUA RESIDUAL
Existen dos clases generales de partículas sólidas coloidales en los liquídos; se les llama coloidales hidrofóbicos (adversos al agua) e hidrofilicos (afines al agua). Estos dos tipos de partículas se basan en la atracción que existe en al superficie de la partícula por el agua. Algunos coloides son estables indefinidamente y algunos no lo son. Termodinámicamente los sistemas coloidales estables son llamados reversibles y los no estables son llamados irreversibles, estos últimos son concernientes al tratamiento de coagulación química de agua residuales. En las aguas naturales los coloides se encuentran siempre cargados negativamente, lo mismo sucede con frecuencia en las aguas residuales.
COAGULACION
El proceso de coagulación es un fenómeno de desestabilización de coloides, que se efectúa generalmente por la adición de reactivos químicos que anulan las fuerzas electrostáticas de repulsión, o actúan sobre la hidrofilia de las partículas coloidales mediante mecanismos de agregación. La teoría de las reacciones químicas de precipitación es muy compleja, ya que con frecuencia estas son incompletas y pueden tener lugar numerosas reacciones secundarias, sin embargo, existen dos modelos teóricos de coagulación que explican los fenómenos implicados en el proceso. Un factor importante en la estabilidad de los coloides es la presencia de carga de superficie, esta estabilidad se destruye si tales partículas tienden a agregarse en partículas mayores con masa suficiente para sedimentar con facilidad. La carga de superficie de las partículas coloidales en las aguas residuales, se desarrolla adquiriendo los coloides una carga negativa por la adsorción preferente de amones; esta carga puede ser afectada en cuanto a su magnitud por el pH y el contenido ionico de la fase acuosa.
FASES DEL PROCESO DE COAGULACION-FLOCULACION
El desarrollo del proceso de coagulación-floculación se considera en cinco fases consecutivas:
Hidrólisis de los coagulantes y desestabilización de las partículas.
Formación de compuestos químicos que se polimerizan
Adsorción de las cadenas poliméricas en la superficie de los coloides.
Adsorción mutua entre coloides.
Acción de barrido y precipitación .
2.4.5 DISPERSION DE LOS COAGULANTES. La dispersión de los coagulantes puede considerarse que progresa en tres fases distintas Ira. fase : Hidrólisis de los iones, esta fase se realiza en un tiempo determinado. 2da fase: Polimerización o reacción de los iones hidratados para formar especies dimérica y poliméricas. 3ra fase: Difusión de los compuestos formados y adsorción de ellos en las partículas coloidales Una vez desestabilizados los coloides empiezan a aglutinarse formando primero microflóculos (menor de 1 micra), luego estos núcleos se aglutinan en partículas mayores y por último se hidratan aumentando su volumen
FILTRACION
La filtración en medios granulares es la forma más económica y eficiente de separar sólidos suspendidos que no son removidos por sedimentación. La filtración es una operación unitaria de gran importancia dentro de un sistema de tratamiento y acondicionamiento de aguas. Generalmente la filtración se efectúa después de la separación de la mayoría de los sólidos suspendidos por sedimentación, aunque dependiendo de las características del agua, es posible que ésta entre directamente a la etapa de filtración, sin ser sedimentada previamente.
AGRICULTURA EN AREQUIPA
Existe en la región una cartera de productos agropecuarios que pueden ser transformados con ventajas para su colocación en los mercados regionales, nacionales e internacionales. Entre ellos se cuenta las especies nativas de camélidos andinos; la leche, la aceituna, el maíz morado, la lúcuma, la tuna, plantas colorantes y aromáticas, la cebolla, menestras, frijol, quinua, kiwicha y diversos frutales.
MARCO LEGAL Tabla N°3. Estándares Nacionales De Calidad Ambiental Para Agua Categoría 3,
Parámetros Para Riego De Vegetales Parámetros Para Riego De Vegetales
Fuente: Decreto Supremo N° 002 -2008 –MINAM
MATERIALES Y METODOS
3.1. LUGAR DE EJECUCIÓN Arequipa es un departamento del Perú ubicado en la parte sur del país. Cuenta con 528 km de costas en el océano Pacífico el litoral regional más extenso y limita con los departamentos de Ica, Ayacucho, Apurímac, Cuzco, Puno y Moquegua. Latitud sur: 14º36′6″. Longitud oeste: Entre meridianos 71º59′39″ y 75º5′52″. Clima: Templado y relativamente seco; su temperatura varía entre los 21 °C y los 10 °C. as. El sol brilla casi todos los días del año. Ríos más importantes: Tambo, Ocoña, Majes y Chili. Volcanes: Coropuna (6.425 msnm), Ampato (6.288 msnm), Solimana (6.093 msnm), Hualca Hualca (6.025 msnm), Chachani (6.057 msnm), Misti (5.822 msnm) y Pichu Pichu (5.664 msnm).
Obtención de las muestras del río Chili – Arequipa
Análisis fisicoquímico de la muestra
Determinación de metales totales
Determinación de Bioquímica de Oxígeno
Demanda
Determinación de Demanda Química de Oxígeno
Determinación de coliformes fecales y totales Determinación de parámetros fisicoquímicos de los Sólidos Determinación Sedimentables Totales (SST)
Pencas usadas de nopal
Macerado de nopal
Corte de las pencas de nopal
Colación del extracto de nopal
Terminado el tiempo de maceración, el material vegetal del extracto viscoso se filtró con una gasa. Para determinar las concentraciones se relacionó el extracto viscoso, obtenido de los pesos de 50, 100, 150, 200, 300, 400 gramos de material vegetal, por el porcentaje peso-volumen (w/v) y se obtuvieron las concentraciones de 10%, 20%, 30%, 40%, 60% y 80% de coagulantefloculante de nopal
DETERMINACIÓN DE LA ACTIVIDAD COAGULANTE Y FLOCULANTE DEL EXTRACTO DE NOPAL MEDIANTE EL TEST DE JARRAS
Esta prueba se realiza para determinar si los extractos obtenidos por maceración presentan actividad coagulante y floculante. Mediante el uso del equipo de jarras, en 6 vasos de precipitados de 500 ml. con un volumen de 250 ml. de muestra, a cada uno de estos vasos se le agregó 20 ml. de extracto de nopal, a distintas concentraciones iniciales (10%, 20%, 30%, 40%, 60% y 80%). Se sometió a agitación rápida a 150 revoluciones por minuto (rpm) por 3 minutos, para que se de el proceso de coagulación. Luego se procedió a una agitación lenta a 50 rpm por 18 minutos, para que se lleve a cabo la floculación. Luego se retiró el sistema de agitación y se dejó reposar por 20 horas. Una vez terminado el tiempo de sedimentación, con ayuda de una jeringa, se extrajo una porción de agua de cada vaso para evaluar parámetros fisicoquímicos como el pH, la turbidez y el porcentaje de sedimentos.
3.3.6.4 Diseño y construcción de un sistema de filtración Como parte de la etapa posterior a un tratamiento con el extracto de nopal, se implementa un filtro elaborado a base de arena de río, piedra pómez y carbón activado. Para evaluar la filtración, se analizaron columnas empacadas con cada sustrato en serie, teniendo como alimentación el agua “tratada” de la etapa de coagulación y floculación con el extracto de nopal. Para ello, se realizó la medición de parámetros fisicoquímicos en la entrada y en la salida del filtro. Este sistema propuesto con los insumos que se describen no se ha trabajado anteriormente. Muchos sistemas de filtración sencillos incluyen en sus componentes piedras; arena, etc. pero aquí se opta por utilizar como componentes la piedra pómez, por tener una gran porosidad, lo cual favorece en el proceso de retención de partículas, y nos sirve como un tamizador que retiene partículas grandes. En cuanto a la arena de río, también es un material bastante usado en sistemas de filtración económicos. La arena de río sirve para retener partículas pequeñas y ambos son recursos abundantes en Arequipa.
Figura N°9: Fotografía del sistema de filtración
Figura N°10 Esquema del proceso de coagulación, floculación y filtración a escala de laboratorio
RESULTADOS DE LA DETERMINACIÓN DE DEMANDA BIOQUÍ MICA DE OXÍ GENO Y DEMANDA QUÍ MICA DE OXÍ GENO
Muestra sin tratamiento Parámetros Orgánicos
Demanda Bioquímica de Oxígeno Demanda Química de Oxígeno
Límite de Detecció n 2
2
Resultad nida o d mg/ L mg O2/ L
32
70
Muestra con tratamiento Parámetros Orgánicos
Límite de
Unida d
Resultado
Detecci ón Demanda Química de Oxígeno
2
mg O2/L
118
Demanda Bioquímica de
2
mg/L
39
Oxígeno
De acuerdo a la norma D.S.N° 0022008, sobre Estándares de Calidad Ambiental (ECA) para agua para riego de vegetales, se refieren valores de DBO5 y DQO de 15 mg/L y 40 mg 02/L respectivamente (Ministerio del Ambiente del Perú, 2008). Así, en función a los valores obtenidos de las muestras, es evidente que éstos superan los ECA, con 32 mg/L de DBO5 y 70 mg 02/L de DQO, respectivamente.
RESULTADOS DE LA DETERMINACI N DE Muestras sin tratamiento Muestras con tratamiento PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS DE LAS MUESTRAS DE AGUAS
Parámetros
M-1
Volumen (ml)
500
pH
7.2
Temperatura (C°)
18.2
SST (mg/L)
1,646.0
Turbidez (UNT)
36.9
Conductividad (uS/cm)
1,012
Parámetros
Unidades
M1
Oxigeno disuelto
mg/L
4.67
Saturación D.O.
%
68.10
Temperatura
°C
19.20
Conductividad
μS/cm
520.00
Sal
valor
0.00
Sólidos Totales disueltos
mg/L
543.00
pH
valor
7.12
Turbidez
NTU
RESULTADOS
DE
LA
DETERMINACIÓN
DE
COLIFORMES FECALES Y TOTALES
Muestra sin tratamiento
Muestra con tratamiento
Parámetros Límite de Unidad Resul Microbiológic Detección tado os Coliformes Fecales Coliformes Totales
1.8 1.8
NMP/1 00 mL NMP/1 00 mL
17’00
0,000 22’00
0,000
Límite de Parámetros Detección Microbiológ icos
Unidad
Resultado
Coliformes Fecales
1,8
NMP/100 mL
2,500
Coliformes Totales
1,8
NMP/100 mL
3,700
En cuanto al par ámetro de coliformes totales, el valor para agua para riego de vegetales es de 5,000, pero en nuestro resultado se determinó un valor de 22 000,000, un valor demasiado alto. En el curso del r í o Chili por la ciudad de Arequipa, existen numerosas tuber í as de desechos domésticos. Estas, sin ningún tipo de tratamiento, son vertidas Chili. directamente al r ío ’
