UNIVERSIDAD NACIONAL
“Santiago Antúnez de Mayolo”
FACULTAD DE CIENCIAS DEL AMBIENTE
ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA SANITARIA
CURSO :
PROCESOS BIOLÓGICOS EN INGENIERÍA SANITARIA TEMA : “REMOCIÓN DE LA MATERIA ORGANICA MEDIANTE EL
SISTEMA DE ESPONJA DE PRIMERA GENERACIÓN DE TIPO CUBO Y TERCERA GENERACIÓN DE LA DESCARGA DE CALICANTO” - HUARAZ PERIODO – 2017 DOCENTE :
Blga. ROSARIO POLO SALAZAR ALUMNOS:
Aranibar Alva Nelson Diego rodríguez Hugo Pantoja Bazán Richard Tarazona Maza Joel
141.0704.073 101.0704.035 101.0704.045 091.0704.051
HUARAZ-ANCASH-PERU 2017 1
INDICE I.
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 4
II.
OBJETIVOS: ................................................................................................................................... 5 2.1.
Objetivo general ................................................................................................................... 5
2.2.
Objetivos específicos ......................................................................................................... 5
III.
HIPÓTESIS: ................................................................................................................................ 5
IV.
MARCO TEÓRICO .................................................................................................................... 6
4.1.
ANTECEDENTES. ................................................................................................................. 6
4.2.
GENERALIDADES ................................................................................................................ 7
4.2.1.
Aguas residuales residuales ............................................................................................................ 7
4.2.2.
Aguas Residuales Residuales Domésticas: Domésticas: ................................................................................... 7
4.2.3.
Aguas Residuales Residuales Municipales: Municipales: ................................................................................... 8
4.2.4.
Aguas Residuales Residuales Industriales Industriales:: .................................................................................... 8
4.2.5.
Tratamiento de aguas residuales ................................................................................ 8
4.2.6.
Criterios de selección de los parámetros del estudio ............................................. 11
4.2.7.
Esponja Grafeno: ......................................................................................................... 14
4.2.8.
Uso del grafeno en el tratamiento de aguas ............................................................ 15
4.2.9.
Glutaraldehído .............................................................................................................. 16
V. MATERIALES Y METODOLOGÍA............................................................................................. 19 5.1.
MATERIALES....................................................................................................................... 19
5.2.
Materiales para las esponjas colgantes ....................................................................... 19
5.3.
Equipos: ............................................................................................................................... 19
5.4.
................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ...................... .... 20 MÉTODO:..................................
5.4.1.
Determinación de coliformes. ..................................................................................... 20
5.4.2.
Determinación de amonio (NH4), nitrito (NO2), fosforo (P) Y fosfato (PO4), H2S. 20
5.4.3.
Determinación de BDO5 ............................................................................................. 21
5.4.4.
Determinación de turbiedad ....................................................................................... 21
5.5.
MÉTODO EXPERIMENTA ................................................................................................. 22
VI.
RESULTADOS E INTERPRETACIÓN ................................................................................. 24
VII.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS ........................................................................................... 40
VIII.
CONCLUSIONES .................................................................................................................... 41 2
INDICE I.
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 4
II.
OBJETIVOS: ................................................................................................................................... 5 2.1.
Objetivo general ................................................................................................................... 5
2.2.
Objetivos específicos ......................................................................................................... 5
III.
HIPÓTESIS: ................................................................................................................................ 5
IV.
MARCO TEÓRICO .................................................................................................................... 6
4.1.
ANTECEDENTES. ................................................................................................................. 6
4.2.
GENERALIDADES ................................................................................................................ 7
4.2.1.
Aguas residuales residuales ............................................................................................................ 7
4.2.2.
Aguas Residuales Residuales Domésticas: Domésticas: ................................................................................... 7
4.2.3.
Aguas Residuales Residuales Municipales: Municipales: ................................................................................... 8
4.2.4.
Aguas Residuales Residuales Industriales Industriales:: .................................................................................... 8
4.2.5.
Tratamiento de aguas residuales ................................................................................ 8
4.2.6.
Criterios de selección de los parámetros del estudio ............................................. 11
4.2.7.
Esponja Grafeno: ......................................................................................................... 14
4.2.8.
Uso del grafeno en el tratamiento de aguas ............................................................ 15
4.2.9.
Glutaraldehído .............................................................................................................. 16
V. MATERIALES Y METODOLOGÍA............................................................................................. 19 5.1.
MATERIALES....................................................................................................................... 19
5.2.
Materiales para las esponjas colgantes ....................................................................... 19
5.3.
Equipos: ............................................................................................................................... 19
5.4.
................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ...................... .... 20 MÉTODO:..................................
5.4.1.
Determinación de coliformes. ..................................................................................... 20
5.4.2.
Determinación de amonio (NH4), nitrito (NO2), fosforo (P) Y fosfato (PO4), H2S. 20
5.4.3.
Determinación de BDO5 ............................................................................................. 21
5.4.4.
Determinación de turbiedad ....................................................................................... 21
5.5.
MÉTODO EXPERIMENTA ................................................................................................. 22
VI.
RESULTADOS E INTERPRETACIÓN ................................................................................. 24
VII.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS ........................................................................................... 40
VIII.
CONCLUSIONES .................................................................................................................... 41 2
IX.
RECOMENDACIONES ........................................................................................................... 41
X. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 42 XI.
ANEXO ...................................................................................................................................... 43
3
I.
INTRODUCCIÓN
El uso del tratamiento biológico en las aguas residuales domésticas es poco utilizado en el país. Esta tecnología que se aplica del del tratamiento primario y terciario terciario se ha desarrollado desarrollado e implementado plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas a nivel piloto; siendo en países como Japón, España; su aplicación con la finalidad de mejorar la calidad de los efluentes anaerobios. En el presente estudio de investigación se evalúa la eficiencia de una nueva alternativa de tratamiento que complementa el proceso biológico y que permite una mayor remoción de carga orgánica. Esta tecnología es llamada Downflow Hanging Sponge (DHS) y consiste en un innovador filtro percolador colgante con esponjas. El sistema de tratamiento de esponjas colgantes de flujo descendente DHS se presenta como un tratamiento primario y terciario que podría permitir alcanzar los niveles exigidos por las normas peruanas para plantas de tratamiento de aguas residuales. El estudio que se plantea en este trabajo tiene como principio diluir la carga contaminante que ingresa al sistema y mantener una mayor humectación en las esponjas para lograr una mayor eficiencia en el tratamiento. Tabla 1.1: LMP para efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas Parámetro DBO DQO Coliformes termo tolerantes Solidos totales en suspensión
MLP de efluente para vertidos a cuerpos de agua 100 mg/l 200 mg/l 103 NMP/100 ml 150 mg/l
pH 6.5-8.5 *Límites Máximos Permisibles para efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas que están contemplados en el Decreto Supremo No. 003-2010-MINAM del Ministerio del Ambiente. En vista de esta situación, los investigadores han propuesto diversas tecnologías como post tratamiento de los efluentes de los tratamientos primarios y terciario tales como lagunas para el caso de remoción de patógenos (Maynard et al., 1992) y filtros percoladores. Pero ninguno de ellos asegura una calidad satisfactoria del efluente ni simplicidad en su operación y construcción a costos factibles para países en desarrollo. 4
II. 2.1.
OBJETIVOS:
Objetivo general
Determinar la remoción de la materia orgánica mediante el sistema de esponjas colgantes de primera generación y tercera generación en el tratamiento del agua residual procedente de la descarga de CALICANTO en la ciudad de Huaraz.
2.2.
Objetivos específicos Determinar qué sistema presenta mejor remoción para las aguas residuales
domésticas.
Evaluar los parámetros físico-químicos y biológicos
Evaluar la cantidad de materia orgánica y disminución de Microorganismos
patógenos presentes en el agua residual
III.
HIPÓTESIS:
“La remoción de la materia orgánica mediante el sistema de esponja de primera generación de tipo cubo y tercera generación es eficiente en 85%”
5
IV. 4.1.
MARCO TEÓRICO
ANTECEDENTES.
En 1937, el poliuretano fue inventado por Otto Bayer, en los laboratorios de IG Farben, en Leverkusen (Alemania). La producción industrial empezó en 1940. Sin embargo, ésta disminuyo debido a la falta de recursos por la Segunda Guerra Mundial. Entre las ventajas del poliuretano tenemos la alta porosidad interna, área de alta superficie, una buena resistencia a múltiples productos químicos y al calor, no perjudica al ambiente, buenas características de envejecimiento, y una buena adherencia a casi todos los materiales y corrientes [Pasic; 1990]. La aplicación de poliuretano como material de apoyo en una variedad de tecnologías de tratamiento de aguas residuales ha sido reportada por varios investigadores [Machdar I.; 2001]. La esponja es favorable para el crecimiento de biomasa. El afluente de las aguas residuales es suministrado en la parte superior del bio-reactor y naturalmente impregna por medio de la gravedad en la esponja. Durante el metabolismo, la biomasa inmovilizada y activa consume los nutrientes de los flujos residuales y simultáneamente toma hasta el oxígeno disuelto, lo que naturalmente se toma del medio ambiente. La característica más importante del reactor DHS es el no requerimiento de aireación externa, permitiendo mantener un tiempo de retención de lodos muy largo (SRT) que es favorable para la remoción orgánica y el proceso de nitrificación [Machdar, Faisal; 2011
6
4.2.
GENERALIDADES
4.2.1. Aguas residuales Son aquellas aguas cuyas características originales han sido modificadas por actividades humanas y que por su calidad requieren un tratamiento previo, antes de ser reusadas, vertidas a un cuerpo natural de agua o descargadas al sistema de alcantarillado (OEFA, 2014) “Las aguas residuales pueden definirse como las aguas que provienen del sistema de
abastecimiento de agua de una población, después de haber sido modificadas por diversos usos en actividades domésticas, industriales y comunitarias” (MARA, 1976)
Según su origen, las aguas residuales resultan de la combinación de líquidos y residuos sólidos transportados por el agua que proviene de residencias, oficinas, edificios comerciales e instituciones, junto con los residuos de las industrias y de actividades agrícolas, así como de las aguas subterráneas, superficiales o de precipitación que también pueden agregarse eventualmente al agua residual (MENDONCA, 1987). Los contaminantes es las aguas residuales son normalmente una mezcla de compuestos orgánicos e inorgánicos. Normalmente no es ni practico ni posible obtener un análisis completo de la mayoría de las aguas residuales (RAMALHO, 1996) Clasificación de las aguas residuales según el OEFA.
4.2.2. Aguas Residuales Domésticas: Son los que proceden de la evacuación de los residuos y manipulaciones de cocinas (desperdicios, arenas de lavado, residuos animales y vegetales, detergentes y partículas), de los lavados domésticos (jabones, detergentes sintéticos con espumas, M.E.S, sales, etc.), y de la actividad general de las viviendas (celulosa, almidón, glucógeno, insecticidas, partículas orgánicas, etc.) y que se recogen en la limpieza de la habitación humana. (PRESA DE ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO, 1986). Aguas negras domésticas, son las que contienen desechos humanos, animales y caseros. También se incluye la infiltración de aguas subterráneas. Estas aguas negras son típicas de las zonas residenciales en las que no se efectúan operaciones industriales, o sólo en muy corta escala. (SEOANEZ CALVO, 199) 7
Las aguas residuales domésticas que provienen de viviendas, edificaciones y otras instalaciones, incluyendo el agua utilizada para limpieza y control de incendios, así como las provenientes de pequeños locales conectados al mismo sistema de alcantarillado. (HILLEBOE, 1996).
4.2.3. Aguas Residuales Municipales: Son aquellas aguas residuales domésticas que pueden estar mezcladas con aguas de drenaje pluvial o con aguas residuales de origen industrial previamente tratadas, para ser admitidas en los sistemas de alcantarillado de tipo combinado.
4.2.4. Aguas Residuales Industriales: Son aquellas que resultan del desarrollo de un proceso productivo, incluyéndose a las provenientes de la actividad minera, agrícola, energética, agroindustrial, entre otras. (OEFA, 2014)
4.2.5. Tratamiento de aguas residuales Las aguas contaminadas residuales a tratar para su consumo tienen diferentes orígenes, como pueden ser zonas urbanas o industriales, por lo que los compuestos que las forman son muy variados. Por ejemplo, el agua que tiene por origen un hogar estará compuesta de residuos alimenticios, detergentes, champú… sin
embargo, el agua residual de una industria dependerá del tipo de industria que se esté llevando a cabo, pero su composición será muy diferente a la de un hogar. Por estas razones, a la hora de volverla apta para el consumo, hay que dividir este proceso en una serie de tratamientos en los cuales se buscan diferentes objetivos:
Tratamiento primario: prepara el agua, limpiándola de todas aquellas partículas cuyas dimensiones puedan obstruir o dificultar los procesos consecuentes. Se realiza mediante un filtrado con mallas o barreras (se llevan consigo material flotante como papel, madera, plásticos…), una
eliminación de aceites y grasas (estos compuestos flotan, asique son absorbidos por tubos horizontales con una gran aspiración) y una sedimentación del agua (suele realizarse mediante la propia gravedad en tanques de diferentes tamaños).
Tratamiento secundario: limpia el agua de aquellas impurezas cuyo 8
tamaño es mucho menor a las que se pueden captar por la decantación y las rejillas, para ello, los sistemas se basan en métodos mecánicos y biológicos combinados. Estos sistemas dependen del emplazamiento donde se proyecten, ya que se controlan procesos biológicos y pueden ser perjudicados por agentes externos como el clima. Un ejemplo de tratamiento secundario de aguas es el tratamiento anaeróbico, mediante el cual los organismos catabolizan y asimilan sus alimentos en ausencia de oxígeno, e implícitamente del aire.
Tratamiento terciario: tiene como fin eliminar la carga orgánica residual y compuestos
contaminantes
no
eliminados
en
los
tratamientos
anteriormente descritos. Suelen ser de naturaleza biológica o físicoquímica y estos tratamientos eliminan colorantes, disolventes, olores, sabores… Los hay de muchos tipos: intercambio iónico, ósmosis inversa,
electrodesinfección,
membranas
cerámicas,
oxidación
avanzada,
adsorción.
Esponja Poliuretano: El reactor de primera generación (DHS G1) fue desarrollado por Agrawal et al. Y por Machdar et al. En 1997. (Ver Figura 1.1) Fue construido a partir de cubos de esponjas de 1.5 cm. de lado y conectadas en forma diagonal a través de un hilo nylon. El desempeño de este modelo fue sobresaliente, aunque se consideró poco práctico para llevarlo a escala. El tratamiento anaerobio de aguas residuales domésticas es una tecnología Eficiente, compacta, fácil de operar y de bajo costo. Sin embargo, el tratamiento anaerobio por sí sólo no puede alcanzar los estándares de calidad que nuestra legislación exige para efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales. En esta investigación se muestra la aplicación de una tecnología alternativa de post tratamiento o tratamiento secundario diseñada para tratar el efluente de los reactores anaerobios de manto de lodos y flujo ascendente (UASB), que tiene la ventaja de generar un gran ahorro de terreno en comparación con las lagunas facultativas; simplificar la operación y bajar los costos de construcción en comparación con los filtros percoladores y procesos de lodos activados. Esta tecnología es conocida por sus siglas en inglés como DHS (Downflow Hanging 9
Sponges) o “esponjas colgantes de flujo
descendente” y su principio de
funcionamiento es el desarrollo de una película biológica en la superficie de las esponjas que realiza los procesos de depuración del agua residual. La aplicación y evaluación de esta tecnología en nuestro medio a nivel experimental es el objetivo de la presente tesis de investigación. Se estudia la eficiencia del sistema DHS en el tratamiento del efluente de un reactor UASB que trata el agua residual doméstica de una población de 9 000 habitantes. El sistema DHS experimental fue diseñado para operar con un tiempo de retención hidráulico de 90 minutos y tratar un caudal de 61 l/día con un caudal de recirculación equivalente. El sistema estuvo en funcionamiento por un tiempo de 236 días. La investigación se realizó en la ciudad de Lima-Perú en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del Centro de Investigación de Tratamiento de Aguas Residuales y Residuos Peligrosos de la Facultad de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Ingeniería. Para este estudio se montó un pequeño sistema DHS que consistió en cubos de esponjas de poliuretano ensartados en serie y suspendidos dentro de dos columnas de vidrio instaladas en serie, abiertas por la parte superior e inferior. La alimentación de este sistema provino del efluente del reactor UASB que se almacenaba en un cilindro para graduar el ingreso al sistema DHS. El desagüe tratado a través de este sistema se recibía en una unidad de sedimentación diseñada a escala. Este efluente era recibido en un recipiente desde donde se bombeaba parcialmente a la zona de alimentación del sistema para que se mezcle en partes iguales con el afluente proveniente del UASB. El monitoreo se realizó mediante un muestreo en cuatro puntos del sistema: en el punto de ingreso del efluente del UASB; en el punto de mezcla del efluente del UASB con el caudal recirculado; en la salida de la primera columna de tratamiento y en la salida del recipiente de recirculación. Se evaluó el sistema mediante el análisis de los parámetros enfocados en el estudio que consistieron en mediciones diarias de los parámetros físicos y mediciones semanales de los parámetros químicos y bacteriológicos. Los parámetros evaluados fueron: la temperatura, el pH, la conductividad, el oxígeno disuelto, la turbiedad, los sólidos, la demanda bioquímica de oxígeno al quinto día, la demanda química de oxígeno, nitrógeno y coliformes 10
termo tolerantes o fecales. Los análisis de laboratorio se realizaron bajo la metodología estándar y el uso de manuales y reactivos de los equipos colorimétricos Hach. Asimismo, se usaron en el monitoreo un conductivímetro, potenciómetro, oxímetro y termómetros digitales. El sistema fue capaz de remover 84,6 % de turbiedad, 94 % de DBO, 11 % de sólidos totales, 84 % de DQO y 99,961 % de Coliformes fecales. Estos resultados llevan a concluir que el sistema DHS presenta una alta eficiencia y estabilidad en el tratamiento de la carga orgánica y bacteriológica del efluente de un reactor UASB. La generación de lodos por el sistema fue mínima (0,02 gramos de sólidos suspendidos volátiles por día), al igual que la concentración de sólidos sedimentables en el efluente (0.06 ml por litro de efluente tratado). El periodo de maduración del reactor hasta alcanzar su eficiencia óptima en el tratamiento del agua residual fue de 4 a 5 meses bajo las condiciones del experimento sin la utilización de un inóculo. Sin embargo, los resultados en el análisis de los procesos de tratamiento del nitrógeno demuestran que es necesario un post tratamiento o una extensión del tratamiento con la misma tecnología DHS para alcanzar niveles en la reducción de este parámetro aceptables por la Legislación Peruana para el reúso de efluentes en riego de vegetales y bebida de animales (ECA Categoría 3: 10 mg/l NO3-N) como lo estipulan los estándares de calidad ambiental.
4.2.6. Criterios de selección de los parámetros del estudio Para evaluar la eficiencia del sistema DHS en la depuración de los efluentes del reactor UASB, se ha seleccionado para este estudio ciertos parámetros asociados básicamente con la remoción de contaminantes orgánicos y microbiológicos de los efluentes del reactor UASB. La selección de los parámetros que están asociados con estos procesos de depuración y aquellos que permiten interpretar sus variantes se sustentan a continuación.
A. Temperatura. La temperatura tiene un efecto directo sobre las reacciones químicas y biológicas en el proceso de tratamiento del agua residual. No solo influencia las actividades metabólicas de la población microbiana sino también tiene un efecto
11
importante sobre los factores de transferencia de gases, concentración de oxígeno disuelto y las características de sedimentación de los sólidos biológicos. Las temperaturas óptimas para la actividad bacteriana se encuentran en el rango de 25 a 35 °C.
B. pH Es la medida de la acidez o alcalinidad del agua residual referida a la concentración del ion hidrógeno.
El agua residual con una concentración
extrema de ion hidrógeno es difícil de tratar por medios biológicos, y si la concentración no es alterada antes de la descarga, afectará la calidad del curso de agua receptor, alterando el rango de pH que permite la vida acuática (entre 6 y 9). Asimismo, en el proceso de nitrificación, la producción de amoníaco y amonio está determinada por el pH. En rangos de pH de 9 a 12, el amoníaco tiene una prevalencia, mientras que en rangos de pH de 7 a 9, el amonio prevalece.
C. La conductividad La conductividad representa la capacidad de una muestra de agua para conducir la corriente eléctrica. Este valor depende de la concentración total de las sustancias ionizadas disueltas en el agua y la temperatura a la que se hizo la medida. La conductividad tiene una gran relación con la concentración de sólidos disueltos en el agua.
En el presente estudio, este parámetro servirá de
referencia para comparar con los valores de concentración de sólidos disueltos en las muestras analizadas en laboratorio. Según los Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, la conductividad puede ser usada como una medida de la concentración de sólidos disueltos totales (SDT) en una muestra. Si el valor excede o está fuera de estos límites, entonces se debe reanalizar la conductividad o los SDT. También cabe la posibilidad de la interferencia en los resultados del amoníaco o nitritos cuando se encuentran en elevadas concentraciones.
D. El Oxígeno Disuelto Dentro de las reacciones biológicas y químicas que ocurren en el agua residual, el oxígeno es el elemento que juega el papel más importante.
La 12
solubilidad del oxígeno en aguas residuales es aproximadamente el 95% de la solubilidad del oxígeno en agua limpia. La determinación del oxígeno disuelto en aguas residuales es importante porque en combinación con la DBO5, indica la evolución del proceso de estabilización del agua residual.
La tasa de consumo de oxígeno está relacionada
estequiométricamente al uso orgánico y al crecimiento celular.
E. La Turbiedad Es un parámetro usado para evaluar la calidad de los efluentes de un sistema de tratamiento de aguas residuales con respecto a su contenido de material suspendido coloidal y residual. En este estudio, este parámetro sirve para llevar un control rápido del proceso de tratamiento. Sin embargo, no existe una correlación entre la turbiedad y los sólidos totales suspendidos en una muestra. (Tchobanoglous, et al, 2003)
F. Los Sólidos La caracterización física más importante en el agua residual es la determinación de su contenido de sólidos totales ST, que está compuesto de materia suspendida, materia sedimentable, materia coloidal y materia en solución
13
4.2.7. Esponja Grafeno: La tercera generación (DHS G3) que tenía el principio de diseño de los filtros percoladores, reemplazando el material de empaque por esponjas contenidas en un material de soporte (Tawfik et al., 2006). El grafeno es un alótropo del carbono; es decir, es una de las tantas estructuras químicas (diamante, grafito, fullereno-60, fullereno-70, nanotubos.) que puede adoptar el carbono.
14
Esta forma alotrópica en particular, es una lámina bidimensional de estructura hexagonal muy parecida a los paneles que forman las abejas, con átomos de carbono de valencia 4 dispuestos en sus esquinas unidos por enlaces covalentes sp2, lo que otorga a el grafeno unas altas prestaciones electrónicas, mecánicas y químicas. Debido a las altas prestaciones ya citadas y al tratarse de un material barato, ya que procede del grafito, está acaparando muchas investigaciones en el campo de la electrónica (cables de alta velocidad, súper baterías, pantallas táctiles sensibles).
4.2.8. Uso del grafeno en el tratamiento de aguas En la actualidad, cada vez es más necesario idear tecnologías lo más sostenibles posible; es decir, que encuentren un equilibrio entre la economía y respeten la naturaleza. Una posibilidad a tener en cuenta puede ser la creación de esponjas de grafeno para el tratamiento terciario de aguas residuales. Como ya se ha comentado anteriormente este material procede del grafito y resulta muy barato de conseguir. Gracias a sus ya mencionadas cualidades de ligereza y comportamiento apolar con el agua, posee una gran absorción para un amplio rango de contaminantes disueltos en agua; con lo que podría resultar un material idóneo para este tipo de tratamiento. 15
Como se ha planteado en los objetivos, el fin de este proyecto consiste en crear una esponja, compuesta por grafeno, capaz de absorber la máxima cantidad de colorante alimenticio disuelto en agua. Y con esto ofrecer una alternativa económica a un tratamiento terciario de aguas residuales. Si esta esponja es capaz de absorber colorantes alimenticios, también será capaz de absorber ciertos contaminantes. Se ha decidido hacer el proyecto con colorantes alimenticios porque se puede apreciar mejor como a medida que la esponja lo absorbe, el agua pierde color. Todas las muestras realizadas tienen la misma concentración de colorante, para poder sacar conclusiones claras. Para poder contrastar resultados sobre cómo afecta la cantidad de grafeno en la esponja, se han creado dos muestras con diferentes dispersiones del material. El grafeno se ha creado por el método Hummers que se explicará en el método experimental, y para poder experimentar con el grafeno y dotarle de compactación para que se asemeje a una esponja, se han usado como ligantes el quitosano y el glutaraldehído que se describirán más adelante. El fenómeno principal a estudiar va a ser la velocidad de absorción de la esponja. Para poder valorarlo, se introducirán las esponjas de grafeno en el agua con colorante y se dejarán en reposo durante un tiempo, durante este tiempo, se realizará un seguimiento fotográfico para valorar como desaparece en mayor o menor medida el colorante del agua. La absorción es la propiedad de ciertos materiales de fijar en su superficie moléculas extraídas de la fase líquida en la que se encuentran Este fenómeno tiene lugar cuando se coloca dicha superficie en contacto con una solución. Una capa de moléculas de soluto se acumula en la superficie del sólido debido al desequilibrio de las fuerzas superficiales
4.2.9. Glutaraldehído Es un compuesto químico de la familia de loa aldehídos; es decir, es un compuesto orgánico con un grupo funcional –CHO. Su fórmula semidesarrollada es C5H8O2 Le otorga una resistencia mecánica a la esponja grafeno al ser sumergido en el agua.
16
Origen Este material ya se conocía a principio del siglo XX, pero fue en el año 2004, y por casualidad, en la Universidad de Manchester, cuando fue aislado por primera vez 1 (supuso el premio Nobel a sus descubridores Andre Geim y Konstantin Novoselov, La manera de aislarlo accidentalmente fue fijar una cinta adhesiva en una estructura de grafito y despegar la cinta. Se trata de un método muy rudimentario, ya que no se puede saber con certeza que estamos extrayendo una sola lámina. Se han ido desarrollando diferentes métodos para la obtención de grafeno. En este proyecto en particular se realizará mediante el método de Hummers modificado. (2)
Síntesis de grafeno. Este material ha suscitado mucho interés en la actualidad por su amplia gama de aplicaciones; sin embargo, tiene la contrariedad de que no se ha logrado fabricar en grandes cantidades como para poder usarse de forma industrial. Los diferentes métodos para su obtención pueden agruparse en dos: TOP-DOWN (se parte de un material de espesor micrométrico como el grafito para obtener un grafeno de espesor nanométrico) y BOTTOM-UP 2 (el grafeno obtenido tiene su origen en átomos de carbono generados mediante descomposición de moléculas orgánicas)
17
Comparación de las eficiencias en el tratamiento de los efluentes UASB de los diferentes modelos de DHS.
18
V. 5.1.
MATERIALES Y METODOLOGÍA
MATERIALES
Tubos de ensayo.
Azas de siembra.
Pisceta.
Frasco Winkler.
Kits de reactivos para determinación de iones.
Frasco Winkle.
5.2.
Materiales para las esponjas colgantes
Esponja grafeno
Esponja poliuretano
Botella de venoclisis
Manguera 1⁄2 pulgada
Baldes 4 L
Balde 8 L
Teflón
Pegamento
Niple
Baldes 5 L
Botellas 3 L
5.3.
Equipos: Estufa
Mechero bunsen
Autoclave
Balanza analítica
Espectrofotómetro
19
5.4.
MÉTODO:
5.4.1. Determinación de coliformes. Número más probable NMP/ 100 mL
5.4.2.
Determinación de amonio (NH4), nitrito (NO2), fosforo (P) Y fosfato (PO4), H2S.
20
A. AMONIO (NH4): Método 5
0.5 mL de R1
1 cucharadita de R2
4 gotas de R3
B. NITRITO (NO2): Método 62
1 cucharadita de RAN o R1
C. FOSFORO (P): Método 71
5 gotas de RNA 2 cucharaditas R2A
D. FOSFATO (PO4): Método 73
5 gotas de RNA
2 cucharaditas R2A
E. HIERRO (Fe): Método 32
3 gotas de Fe-AN
F. SULFURO DE HIDRÓGENO (H2S): Método 99
1 gota de HS-1A
5 gotas de HS-2A
gotas de HS-3ª
5.4.3. Determinación de BDO5 Medida oxígeno disuelto inicial y final (ODim, ODfm)
5.4.4. Determinación de turbiedad Espectrofotómetro (UNT)
21
5.5.
MÉTODO EXPERIMENTA
El sistema de remoción de la materia orgánica mediante el sistema de esponja de primera generación de tipo cubo y tercera generación tipo bloques prismáticos a escala de simulación consistió básicamente en un tanque de almacenamiento, un sistema sedimentador, un sistema de distribuidor del caudal, dos reactores (para esponjas de primera generación y tercera generación), y dos sistemas recolectores. Como se observa en las figuras. Figura1: Tanque de almacenamiento.
22
Figura 2: Sedimentador, distribuidor de caudal y dos reactores
Figura 3: Reactores y recolectores.
La etapa de monitoreo de esta investigación se ha realizado a lo largo de 30 días. El monitoreo fue realizado una vez por semana con la finalidad de evaluar la remoción de la materia orgánica en el tiempo y la formación de la película biológica
23
VI. 6.1.
RESULTADOS E INTERPRETACIÓN
DATOS Y CÁLCULOS CARACTERIZACIÓN INICIAL (ENTRADA)
IONES: ION Fe H2S P PO4 NH4 NO2
UNIDAD
MUESTRA
Ml/L Ml/L Ml/L Ml/L Ml/L Ml/L
0.27 0.090 1.2 4.62 0.490 0.27
PARAMETRO
UNIDAD
MUESTRA (CALICANTO)
TURBIEDAD
UNT
53
COLIFORMES: MUESTRA
-1
-2
-3
-4
-5
-6
RESULTADOS (NMP/100ML)
MUESTRA (CALICANTO)
3
3
3
3
3
2
1100x10^5
OD: DATOS DEL BLANCO ODib
6.2
ODfb
5.1
MUESTRA (CALICANTO) DATOS DE LA MUESTRA PORCENTAJE
5
1
0.5
0.1
ODim
5.80
6.45
6.43
6.53
24
SÓLIDOS: PARAMETRO
UNIDAD
MUESTRA (CALICANTO)
S.SED
mL/L/H
5.50
S. T
Mg/l
781
SST
Mg/l
738
SDT
Mg/l
42
CALCULOS: MUESTRA (CALICANTO)
( ) [() ] ( ) [() ] ()
25
SEGUNDA CARACTERIZACIÓN A LOS 15 DÍAS IONES IONES
UNIDAD
MUESTRA (CALICANTO) M1
M2
Fe
Ml/L
0.36
1.051
H2S
Ml/L
0.032
0.097
P
Ml/L
0.43
1.43
PO4
Ml/L
1.26
4.36
NH4
Ml/L
0.63
0.373
NO2
Ml/L
---
*0.06
PARAMETRO
UNIDAD
M1
M2
32
28
TURBIEDAD
COLIFORMES: MUESTRA M1 MUESTRA (CALICANTO) M2
-1
-2
3 3
3 3
-3 3 3
-4 2 1
RESULTADOS 1100x10^3 460 x10^3
OD: DATOS DEL BLANCO ODib
6.56
ODfb
5.22
DATOS DE LA MUESTRA M1
DATOS DE LA MUESTRA M2
%
5
1
%
5
1
ODim
6.46
6.52
ODim
6.03
6.28
ODfm
4.37
3.83
ODfm
4.25
3.11
26
SÓLIDOS: PARAMETRO S.SED S. T SST SDT
M1
UNIDAD
M2
mL/L/H
3.75
4.25
Mg/l
490
623
Mg/l
130
430
Mg/l
360
193
CALCULOS:
A)
PRIMERA GENERACIÓN (M2):
( ) [() ] [() ()] () () B)
TERCERA GENERACIÓN (M1) :
() [() ] () [() ] 27
() CARACTERIZACIÓN FINAL A LOS 30 DÍAS IONES MUESTRA (CALICANTO) IONES
UNIDAD M1
M2
Fe
Ml/L
0.23
0.87
H2S
Ml/L
0.008
0.35
P
Ml/L
0.35
1.55
PO4
Ml/L
1.21
4.41
NH4
Ml/L
0.261
0.423
NO2
Ml/L
0.019
0.022
UNIDAD
M1
M2
*8
27
PARAMETRO TURBIEDAD
28
COLIFORMES: -1
-2
-3
RESULTADOS (NMP/100ML)
M1
3
2
1
150x10^2
M2
3
3
1
460x10^2
MUESTRA MUESTRA (CALICANTO)
OD: DATOS DEL BLANCO ODib
6.67
ODfb
5.85
DATOS DE LA MUESTRA M1 %
25
DATOS DE LA MUESTRA M2 10
%
10
5
ODim
4.49
4.96
ODim
4.63
5.45
ODfm
0.18
2.02
ODfm
1.87
2.12
SÓLIDOS: PARAMETRO
UNIDAD
M1
M2
S.SED
mL/L/H
0.45
0.50
S. T
mg/l
77
236
SST
mg/l
42
127
SDT
mg/l
35
109
29
CALCULOS a)
TERCERA GENERACIÓN (M1) :
( ) [() ] () [() ] () () b)
PRIMERA GENERACIÓN (M2):
( ) ( ) [ ] ( ) [() ] () () 30
6.2.
RESUMEN DEL RESULTADO: CARACTERIZACIÓN INICIAL (ENTRADA) PARAMETRO
UNIDAD
MUESTRA (CALICANTO):
DB05
mg/L
264.1
DQO
mg/L
419.33
DBON
mg/L
3.47
COT
mg/L
188.89
S.SED
mL/L/H
5.50
S. T
mg/L
781
SST
mg/L
738
SDT
mg/L
42
Fe
mg/L
0.27
H2 S
mg/L
0.090
P
mg/L
1.2
PO4
mg/L
4.62
NH4
mg/L
0.490
NO2
mg/L
0.27
COL. TOTALES TURBIEDAD
NMP/100mL UNT
1100x10^5 53
31
SEGUNDA CARACTERIZACIÓN A LOS 15 DÍAS MUESTRA (CALICANTO): PARAMETRO
UNIDAD M1=TERCERA G
M2=PRIMERA G
DB05
mg/L
136.34
184.34
DQO
mg/L
216.73
293.03
DBON
mg/L
2.88
1.98
COT
mg/L
115.72
153.26
S.SED
mL/L/H
3.75
4.25
S. T
mg/L
490
623
SST
mg/L
130
430
SDT
mg/L
360
193
Fe
mg/L
0.36
1.051
H2S
mg/L
0.032
0.097
P
mg/L
0.43
1.43
PO4
mg/L
1.26
4.36
NH4
mg/L
0.63
0.373
NO2
mg/L
0
0.06
COL. TOTALES
NMP/100mL
1100x10^3
460 x10^3
TURBIEDAD
UNT
28
32
EFICIENCIA
DB05 (%)
48.38
30.20
DQO (%)
48.32
30.12
32
CARACTERIZACIÓN FINAL A LOS 30 DÍAS MUESTRA (CALICANTO): PARAMETRO
UNIDAD M1=TERCERA G
M2=PRIMERA G
DB05
mg/L
22.02
51.02
DQO
mg/L
32.20
81.11
DBON
mg/L
1.28
2.03
COT
mg/L
26.31
48.99
S.SED
mL/L/H
0.45
0.5
S. T
mg/L
77
236
SST
mg/L
42
127
SDT
mg/L
35
109
Fe
mg/L
0.23
0.87
H2S
mg/L
0.008
0.35
P
mg/L
0.35
1.55
PO4
mg/L
1.21
4.41
NH4
mg/L
0.261
0.423
NO2
mg/L
0.019
0.022
COL. TOTALES
NMP/100mL
150x10^2
460x10^2
TURBIEDAD
UNT
8
27
EFICIENCIA
DB05 (%)
91.66
80.68
DQO (%)
92.32
80.66
33
GRAFICOS E INTERPRETACIÓN MATERIA ORGANICA
DATOS
1ra 3ra 1ra GENERACION GENERACION GENERACION 15 DIAS 15 DIAS 30 DIAS
ENTRADA
3ra GENERACION 30 DIAS
DB05(mg/L)
264.1
184.34
136.34
51.02
22.02
DQO(mg/L)
419.33
293.03
216.73
81.11
32.2
DBON(mg/L)
3.47
1.98
2.88
2.03
1.28
188.89
153.26
115.72
48.99
26.31
COT(mg/L)
MATERIA ORGANICA 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 ENTRADA
1ra GENERACION 15 DIAS
DB05(mg/L)
3ra GENERACION 15 DIAS
DQO(mg/L)
1ra 3ra GENERACION GENERACION 30 DIAS 30 DIAS
DBON(mg/L)
COT(mg/L)
Interpretación Se observa que la DBO5 disminuye a medida que se da la degradación en las esponjas, se observa que la tercera generación es más eficiente que la primera debido a sus poros y en la cuarta semana disminuye mucho más debido a que las esponjas están adaptadas y mantiene una humedad mucho alta
34
EFICIENCIA DATOS
ENTRADA
EFICIENCIA DB05 (%)
0
EFICIENCIA DQO (%)
0
1ra 3ra 1ra GENERACION GENERACION GENERACION 15 DIAS 15 DIAS 30 DIAS
3ra GENERACION 30 DIAS
30.2
48.38
80.68
91.66
30.12
48.32
80.66
92.32
eficiencia 100 80 60 40 20 0 ENTRADA
1ra 3ra GENERACION GENERACION 15 DIAS 15 DIAS EFICIENCIA DB05 (%)
1ra GENERACION 30 DIAS
3ra GENERACION 30 DIAS
EFICIENCIA DQO (%)
Interpretación La eficiencia de remoción de DBO5 y DQO de las esponjas de primera
•
generación en la segunda semana es de 30.2 y 30.12 % y tercera generación es de 48.38 y 48. 32% En la cuarta semana la eficiencia de remoción de DBO5 y DQO de la esponja
•
de primera generación es de 80.68 y 80. 66 y la de tercera generación es 91.66 y 92. 32 %
Se observa que las esponjas en la cuarta semana son más eficiente debido a la humedad permanente por el tiempo que se da
35
IONES 1ra 3ra 1ra GENERACION GENERACION GENERACION 15 DIAS 15 DIAS 30 DIAS
3ra GENERACION 30 DIAS
DATOS
ENTRADA
Fe(mg/l)
0.27
1.051
0.36
0.87
0.23
H2S(mg/l)
0.09
0.097
0.032
0.35
0.008
P(mg/l)
1.2
1.43
0.43
1.55
0.35
PO4(mg/l)
4.62
4.36
1.26
4.41
1.21
NH4(mg/l)
0.49
0.373
0.63
0.423
0.261
NO2(mg/l)
0.27
0.06
0
0.022
0.019
IONES 5
Fe(mg/l)
4 3
H2S(mg/l)
2
P(mg/l)
1
PO4(mg/l)
0 ENTRADA
1ra 3ra 1ra 3ra GENERACION GENERACION GENERACION GENERACION 15 DIAS 15 DIAS 30 DIAS 30 DIAS
NH4(mg/l) NO2(mg/l)
Interpretación
Se observa que hay gran cantidad de iones en el tanque de entrada y Se observa que a la salida de las esponjas los iones disminuyen, el PO4 es alta debido al proceso de oxigenación del P. y Se observa que el NO2 disminuye gracias al proceso de nitrificación que se da por la oxigenación en la esponja a medida que pasa el agua residual.
36
SOLIDOS
DATOS
1ra 3ra 1ra GENERACION GENERACION GENERACION 15 DIAS 15 DIAS 30 DIAS
ENTRADA
3ra GENERACION 30 DIAS
S.SED(mL/L/H)
5.5
4.25
3.75
0.5
0.45
S. T(mg/l)
781
623
490
236
77
SST(mg/l) SDT(mg/l)
738
430
130
127
42
42
193
360
109
35
SÓLIDOS S.SED(mL/L/H)
S. T(mg/l)
SST(mg/l)
SDT(mg/l)
781 738 623 430
490 360
193 5.5
42
ENTRADA
130
236 127109
77 42 35 0.45
4.25
3.75
1ra GENERACION 15 DIAS
3ra 1ra 3ra GENERACION GENERACION 30 GENERACION 30 15 DIAS DIAS DIAS
0.5
Interpretación
En el análisis realizado del tratamiento la cantidad de solidos ST, SST, SDT, S SED, disminuyen en la salida de las dos esponjas en la segunda semana y más considerablemente en la cuarta semana debido a que primero pasa por un tanque se Sedimentador y las esponjas tienes unos poros muy pequemos que retienen a los solidos
37
COLIFORME DATOS
1ra 3ra 1ra 3ra GENERACION GENERACION GENERACION GENERACION 15 DIAS 15 DIAS 30 DIAS 30 DIAS
ENTRADA
COL. TOTALES(NMP/100mL)
1100000 00
460000
1100000
46000
15000
COLIFORMES COL. TOTALES(NMP/100mL) 110000000
460000 ENTRADA
1ra GENERACION 15 DIAS
1100000
46000
15000
3ra 1ra 3ra GENERACION GENERACION 30 GENERACION 30 15 DIAS DIAS DIAS
INTERPRETACION
Después del tratamiento , de la primera y tercera generación en la segunda semana el número coliformes se reduce de 1100x105 a 460x103 - 1100x103 NMP por cada 100ml y así mismo en la cuarta semana se reduce a 460x10 2 - 150x102 es decir las esponjas de detercera generación son las que remueven mayor cantidad de coliformes
38
TURBIEDAD
DATOS
ENTRADA
TURBIEDAD(UNT)
53
1ra 3ra 1ra GENERACION GENERACION GENERACION 15 DIAS 15 DIAS 30 DIAS 32
3ra GENERACION 30 DIAS
28
27
1ra GENERACION 30 DIAS
3ra GENERACION 30 DIAS
8
TURBIEDAD 60 50 40 30 20 10 0 ENTRADA
1ra GENERACION 15 DIAS
3ra GENERACION 15 DIAS
TURBIEDAD(UNT)
Interpretación
En el agua residual se observa que al inicio la turbiedad es de 53 UNT y al pasar por las esponjas se observa en la segunda semana que reduce a 32 - 28, en la tercera generación reduce más la turbiedad, pero en la cuarta semana hay más reducción de turbiedad en las 2 esponjas debido
a que las esponjas se han adaptado y
permanecen más humedecidos
39
VII.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Según la caracterización realizada en la entrada, después de 15 días y 30 días, la esponja de la tercera generación tiene mejor eficiencia de remoción en términos de DBO5 y DQO También los sólidos disminuyen, debido al proceso de degradación por parte de la carga microbiana , la turbiedad a medida que pasa el tiempo la turbiedad disminuye lo que indica que el desarrollo de la capa biológica se ha ido incrementando, los Coliformes, la cantidad de coliformes disminuyen progresivamente a medida que la materia orgánica se degrada; siendo el alimento el factor determinante para la disminución de la carga microbiana, los iones sufren un proceso de oxidación la primera generación tiene el mismo comportamiento. Pero la degradación de la materia orgánica es más lenta, y presenta el desarrollo de microalgas. En las demás descargas la degradación de la materia orgánica es similar.
40
VIII.
CONCLUSIONES
Las esponjas de (primera generación y tercera generación) demostraron su capacidad de remoción, disminuyendo la cantidad de sólidos, iones y materia orgánica.
La esponja de tercera generación es más eficiente en la remoción de la materia orgánica, también retiene mejor a los sólidos y remueve mejor la carga microbiana. Se obtuvo agua más clara. Asimila mejor a los compuestos nitrogenados
La esponja de primera generación remueve más lento la materia orgánica y retiene menos los sólidos
Con las dos esponjas se logró el tratamiento de las aguas residuales domésticas, el agua trata se puede usar en riego de jardines.
IX.
RECOMENDACIONES
Para que las esponjas de primera generación y tercera generación sean más eficientes es necesario que ingresen aguas residuales lo más limpio posible o que tengan un tratamiento de reducción de la turbiedad y los sólidos, antes de vertirlo a las esponjas
Tener presente que las aguas residuales tratadas con este sistema no son aptas para el consumo humano ya que debe hacerse otros tratamientos como para la eliminación de la carga microbiana.
41
X.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CONSULTA EN LIBROS
Carmen Alcolea Sánchez. “Obtención de grafeno mediante métodos quí micos de exfoliación”. Proyecto de Fin de Carrera. Escuel a Técnica Superior de Ingenierí (ICAI). 2013. Capítulo 3.1. (pág. 19-21)
Andrés Castro-Beltrán. “Obtención de grafeno mediante la reducción química del óxido de grafito”. Revista “Ingenierías”. Julio -Septiembre 2011, Vol. XIV, No. 52. Centro de nanociencias y tecnología. Pag
Ministerio de Defensa. “Propiedades y aplicaciones del grafeno”. Monografías
del SOPT No 12. 2013. Pag 17-39. Ministerio de Defensa. “Propiedades y aplicaciones del grafeno”. Mon ografías del SOPT No 12. 2013. Pag 17-39.
Pablo Jiménez Manero. “Materiales nanoestructurados basados en polianilina, nanotubos de carbono y grafeno”. Tesis doctoral. Instituto de Carboquímica de
Zaragoza (CSIC). 2011 CONSULTAS INTERNET:
http://www. The Nobel Prize in Physics 2010”. Nobelprize.org
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/
http://hdl.handle.net/10016/23017
http://cybertesis.uni.edu.pe/handle/uni/1090
http://www.Servicio de microscopía electrónica. Textos. UPV.
http://www.upv.es/entidades/SME/info/751792normalc.html
42
XI.
ANEXO
Elaboración de la maqueta de esponjas colgantes Figura 01 Elaboración de las mangueras para controlar el caudal
Figura 02 Elaboración de la botella con esponja de tercera generación
43
Figura 03 Elaboración de la botella con esponja de primera generación
Figura 04 Elaboración de las botellas con esponjas
44
