CUADRO Nº 2.1: Muestreo final e inyección de ozono

I. INTRODUCCIÓN
La preocupación por la contaminación ambiental crece en importancia día a
día en nuestro país. Desde hace muchos años la legislación en materia
ambiental viene cobrando fuerza, demostrando un cambio importante en la
conciencia de las personas y empresas.
En nuestro medio una de estas preocupaciones es el tratamiento de las
aguas residuales municipales que genera la ciudad de Trujillo. Las aguas
llegan a cinco zonas receptoras. El Cortijo, Covicorti, Parque industrial, El
Milagro y Valdivia.
La laguna de oxidación de Covicorti que recibe las aguas residuales de la
ciudad de Trujillo capta el 60% de toda esta agua residual; dicha laguna
suele sobrecargarse, lo que sumado a la remoción de lodos genera
emisiones gaseosas mal olientes, indicando una inadecuada e insuficiente
oxidación del agua tratada y la presencia de un considerable nivel de
coliformes y microorganismos no beneficiosos, constituyéndose en un serio
problema para la ciudad. Las aguas no son sometidas a procesos
completos de desinfección, gran cantidad de estas aguas residuales
tratadas contienen aun considerables niveles de contaminación y son
vertidas al mar o utilizadas irresponsablemente para el riego de vegetales.
A través de la presente investigación se busca demostrar la efectividad del
ozono en la reducción del nivel de coliformes totales de las aguas
residuales, lo cual permitiría la reutilización de estas en el riego de
parques, jardines y campos de cultivo o su descarga al mar en mejores
condiciones, para ello se plantearon los siguientes objetivos:
a. Determinar la concentración óptima de ozono para la reducción de
coliformes totales de las muestras de aguas residuales municipales que se
tomarán.
1
b. Demostrar si efectivamente a una concentración adecuada se logran
reducir los coliformes totales en 90% y si es factible el rehúso de estas
aguas ozonizadas.
A fin de lograr dichos objetivos fue necesario construir un equipo generador
de ozono que nos permitiría conocer y demostrar como actúa el ozono en
la reducción de coliformes totales de las aguas residuales municipales.
1.1. MARCO TEÓRICO
1.1.1 Aguas residuales
Las aguas residuales han sido clasificadas en aguas residuales
industriales y en aguas residuales municipales, estas últimas
también llamadas aguas negras; son una mezcla compleja que
contiene agua en más de 90% junto a contaminantes orgánicos e
inorgánicos, en suspensión y disueltos.
La concentración de estos contaminantes normalmente es muy
pequeña y se expresa en mg/dm 3, esto es, miligramos de
contaminantes por decímetros cúbicos de la mezcla, esta es una
relación
peso/volumen
la
cuál
se
emplea
para
indicar
concentraciones de componentes en agua, como aguas residuales,
desperdicios industriales u otras soluciones diluídas.
A estas aguas que han salido de la red de consumo humano también
se las denominan aguas servidas o de desagüe que luego son
descargadas a la red de alcantarillado.
Existen diversas fuentes contaminantes del agua:
a. contaminantes Químicos.- Sales disueltas, como ácidos y
compuestos de metales tóxicos; nutrientes vegetales como nitratos y
fosfatos; sustancias orgánicas como petróleo, aceites, plaguicidas,
solventes, detergentes, etc.
b. Contaminantes Físicos.- Sólidos flotantes; como partículas
insolubles suspendidas; material sedimentable como espumas,
líquidos insolubles y otros.
2
c. Contaminantes Biológicos.- Bacterias patógenas que producen
fiebre tifoidea, cólera, disentería, enteritis, etc.; virus como la hepatitis
infecciosa y poliomielitis; protozoarios como disentería amebiana,
giarda; gusanos y parásitos; maleza acuática, algas y hongos.
El presente estudio se concentra en el análisis de tipo biológico para
determinar la acción del ozono, por ello se profundizará en este tipo
de contaminación. 1
 Contaminación Biológica.
 Agentes Patógenos. – Aquellos que causan enfermedades y
pueden clasificarse en:
a) Bacterias: fiebre tifoidea, cólera, disentería, enteritis.
b) Virus: hepatitis infecciosa, poliomielitis.
c) Protozoarios parásitos: disentería amebiana, giarda.
d) Gusanos parásitos: esquistosomiasis.
Todos ellos entran al agua proveniente del drenaje doméstico y
desechos de animales.
La Organización Mundial de Salud (OMS), recomienda que las
aguas para beber deben tener cero colonias de microorganismos
en una muestra de 100 cm3 de agua, mientras que para nadar
deberá tener un máximo de 200 colonias de microorganismos por
cada 100 cm3. 2
 Desechos que requieren oxígeno.- Todos los animales y la
mayor parte de las plantas requieren oxígeno para metabolizar los
alimentos. Los animales acuáticos usan el oxígeno disuelto en las
aguas en que habitan.
La solubilidad del oxígeno en aguas es baja, en aire a 25 °C es
0,299 gr de oxígeno/dm3 y en contacto con agua a 25 °C es
0,0084 gr de oxígeno/dm3. 2
3
A la cantidad de desechos que requieren oxígeno del agua se les
llama Demanda de Oxígeno (DO). La Demanda Bioquímica de
Oxígeno (DBO5), es la cantidad de oxígeno disuelto necesario
para descomponer o degradar los materiales orgánicos a través
de microorganismos para cierto volumen y durante un periodo de
inyección de 5 días a 20 °C.
Los organismos proporcionan gran diversidad de reacciones
químicas, y prosperan donde quiera que hay alimento adecuado,
suficientemente humedad y una temperatura idónea.4
Las aguas negras proporcionan un ambiente ideal para una
inmensa colección de microbios, sobre todo bacterias, más
algunos virus y protozoarios. La mayor parte de los organismos de
las aguas residuales son inofensivos y se pueden emplear en
procesos biológicos para transformar materia orgánica en
productos finales estables. No obstante, las aguas negras también
pueden
contener
patógenos
(organismos
causantes
de
enfermedades) provenientes de los excrementos de personas con
enfermedades infecciosas susceptibles de transmitirse en el agua
contaminada.4
1.1.2 Las Aguas Negras y el Oxígeno Disuelto.
Las evacuaciones del hombre son una parte de las aguas residuales
domésticas, junto con los residuos de lavado personal, limpieza de
la casa y preparación de alimentos.
A pesar del carácter infeccioso de las aguas negras, no son los
microorganismos, patógenos o no, los que se utilizan para
determinar si existe una dilución adecuada en la corriente receptora;
es la naturaleza y comportamiento del sorprendente pequeño
porcentaje total de sólidos en las aguas residuales domésticas de
0,08 a 0,1 por 100 en peso, lo que ofrece la composición media de
un agua residual doméstica.
4
Estos sólidos orgánicos, disueltos, suspendidos y sedimentables
dan lugar a la actividad biológica de las aguas receptoras. Los
procesos son aeróbicos, con tal que exista el suficiente oxígeno
disuelto (OD) en el agua. Los productos finales serán, por lo tanto,
formas oxidadas estables de carbono, nitrógeno, azufre y fósforo.
No se producirán olores, ni espumas, ni lodos, que siempre
desempeñan a la descomposición anaeróbica incontrolada. 10
En el cuadro N° 1.1 muestra las reacciones que tienen lugar en la
laguna de oxidación de Covicorti.
CUADRO Nº 1.1: Productos finales aeróbicos del carbono
orgánico, nitrógeno, azufre e hidrogeno
presentes en aguas residuales domésticas.
A través de la
descomposición aeróbica
en ausencia de DO
A través de la estabilización
aeróbica en presencia
de DO
Fuente: Química Ambiental. ARMAS C. 2001
En la ciudad de Trujillo, el agua residual es tratada en lagunas de
oxidación, estas son grandes estructuras similares a piscinas de 1 a
3 metros de profundidad, donde las aguas negras se descomponen
parcialmente por la acción de microorganismos, estas pueden ser
diseñadas para mantener condiciones aeróbicas en la superficie y
anaeróbicas en el fondo.
5
GRÁFICO Nº 1.1: Esquema de una laguna de oxidación.
Fuente: Química Ambiental. Carlos Armas. 2001
1.1.3 Agentes Infecciosos.
Las mayores fuentes de contaminación infecciosa son:
 El tratamiento inadecuado de las aguas residuales.
 Desechos de animales y comederos cercanos a las corrientes de
agua.
 Plantas de procesamiento y empaque de alimentos.
 Algunas especies que acusan enfermedades.
El 98% de los patógenos biológicos que afectan a los humanos
circula por aguas contaminadas. En los países en desarrollo, sobre
todo en las ciudades, el acceso de agua limpia es cada vez más
reducido. Las causas de la transmisión son la falta de servicios
sanitarios, alcantarillado, canalizaciones para aguas residuales,
embalses de agua y canalizaciones para riego.3
1.1.4 Fuentes Puntuales y no Puntuales de contaminación del Agua.
Las mayores fuentes de contaminación de aguas son los desechos
de agua doméstica, efluentes industriales, escurrimiento de tierra
labrada, depositación atmosférica y la filtración de las operaciones
mineras.
6
a) Fuentes Puntuales.- Descargan contaminantes en localizaciones
específicas a través de tuberías, acequias o alcantarillas a cuerpos
de aguas superficiales. Ejemplos: fábricas, plantas de tratamiento,
minas subterráneas activas y abandonadas, minas de oro, pozos de
petróleo en la selva, buques tanques de petróleo, etc; se descargan
directamente en las aguas superficiales, así como miles de toneladas
de productos químicos tóxicos.
Lo grave de esta situación es que en los países en desarrollo estas
fuentes de contaminación no están controladas y se presentan en
lugares específicos.
b) Fuentes No Puntuales.- Es la contaminación dispersa y difusa de
grandes áreas de terrenos que descargan contaminantes al agua
superficial y subterránea sobre una región extensa y parte de la
atmósfera donde los contaminantes son depositados en las aguas
superficiales. Ejemplos: vertimiento de sustancias químicas en el
agua superficial y la infiltración desde tierras de cultivo (fertilizantes y
plaguicidas), pastoreo de ganado, tala de bosques, tierras urbanas y
suburbanas, tanques sépticos, predios en construcción, lugares de
estacionamiento, carreteras y depositación ácida.4
Los límites permisibles de descarga líquida y aguas residuales para
todas las actividades industriales, excepto la transformación,
refinación de petróleo, se presenta en el cuadro N° 1.2
CUADRO Nº 1.2: Límites permisibles en la descarga de líquidos
y aguas residuales.
PARÁMETROS
DBO5
Sólidos Totales en Suspensión
Aceites y Grasas
pH
Oxígeno Disuelto
Fósforo
Nitrógeno Amoniacal
Temperaturas
Coliformes Totales
Fuente: DIGESA. 2004
7
CRITERIO
10 ppm
< 30 mg / dm3
< 15 mg / dm3
6.95
> 3.5 mg / dm3
< 30 mg / dm3
< 20 mg / dm3
un incremento < 3°C
< 1000 colonias / 100 cm 3
1.2 COLIFORMES.
Son bacterias en forma de bacilos (cilindros), que están ampliamente
distribuidos en la naturaleza y son huéspedes intestinales en el hombre y
en general de los animales de sangre caliente. Muchas enfermedades
infecciosas del hombre como la fiebre tifoidea, la disentería y el cólera son
causadas por bacterias
patógenas que
se
trasmiten
por aguas
contaminadas, de ahí la importancia de los coliformes totales y fecales
como indicadores inmediatos de contaminación fecal en el agua.
Es decir, una muestra de agua que no contenga coliformes totales y
fecales se considera libre de enfermedades producidas por bacterias e
inclusive por otros gérmenes patógenos, como por ejemplo (hepatitis A,
rotavirus, etc.).10
1.2.1 Coliformes Fecales.
Son microorganismos con una estructura parecida a la de una
bacteria común que se le llama Escherichia Coli y se transmite por
medio de los excrementos. La Escherichia es una bacteria que se
encuentra normalmente en el intestino del hombre y en el de otros
animales, existen diversos tipos sin embargo algunos no causan
daños en condiciones normales y otros pueden incluso ocasionar la
muerte.
Con el nombre de coliformes fecales se designa principalmente a los
ordenes de bacterias Escherichia y Klebsiella spp., el Escherichia no
sobrevive mucho tiempo en aguas de mar pero otros coliformes
fecales si, por lo que suelen reportarse en conjunto y ambos
conforman un indicador de contaminación bacteriológica de las
playas.5
1.2.2 Coliformes totales.
Al hablar de coliformes totales nos referimos en forma general a la
familia de bacterias de los de géneros Escherichia, enterobacter,
citrobacter y Klebsiella. La mayoría de
8
estos organismos se
encuentra en el medio ambiente y materia en descomposición,
excepto el género Escherichia.
Otros autores mencionan al grupo de coliformes totales como la
familia Enterobacteriaceae, que se caracterizan por ser de forma
bacilar, gramnegativos, aeróbicos y anaeróbicos, no forman
esporas, la bacteria E. Coli constituye aproximadamente el 10% de
los microorganismos intestinales del hombre y animales de sangre
caliente,
por
ello
se
utiliza
como
indicador
biológico
de
contaminación fecal. Cuando esta bacteria no se detecta en
volumen de 100 mL de agua, se puede considerar como agua de
consumo o apto para el consumo humano.6
En el cuadro Nº 1.3 se indican las diferencias entre los géneros de
la familia Enterobacteriaceae.
CUADRO N°1.3: diferencias entre Géneros de la familia
Enterobacteriaceae.
Género
Escherichia
Edwardsiella
Citrobacter
Salmonella
Shigella
Klebsiella
Enterobacter
Hafnia
Serratia
Proteus
Yersinia
Erwinia
Predominante
origen fecal
Generalmente
detectado en
pruebas para
coliformes
Típicamente entero
patógenos para el
hombre
Si
Si
No (b)
Si
Si
No (b)
No (b)
No (b)
No
No (b)
Si
No
Si
No
Si (c)
No
No
Si
Si
No (d)
No
No
No
No (e)
No (f)
No (f)
No
Si
Si
No (f)
No
No
No
No (f)
No (f)
No
a: Basado en el Bergey’s Manual of determinative bacteriology, 8th ed.
(Buchanan and Gibbons. 1994).
b: Algunas cepas habitan en el tracto intestinal, pero proliferan también en otros
ambientes naturales.
c: Excepto cepas fermentadoras lentas de lactosa.
d: Excepto cepas ocasionales.
e: Excepto cepas que se han adaptado a un crecimiento rápido a temperaturas
próximas a 37ºC.
f: Algunos serotipos contienen cepas entero patógenas.
9
El E. Coli es el indicador clásico de la posible presencia de
patógenos entéricos en el agua, en moluscos, en los productos
lácteos y en otros alimentos. La enumeración de E. Coli en el agua
constituye una medida de la cuantía de la polución.7
1.2.3 Enterococos
Se ha escrito mucho sobre la adecuación de los enterococos y sobre
la del más amplio grupo D de Lancefield de estreptococos como
indicadores de contaminación fecal. El grupo D incluye, además de
los enterococos (Strep. Faecalis y Strep. Faecium), estreptococos
menos resistentes al calor, tales como Strep. Bovissy y Strep.
Equinus.
Al grupo completo se le designa con cierta imprecisión con el
nombre de Estreptococos Fecales. Aunque normalmente presentes
en las heces de mamíferos, estos cocos se encuentran también tan
ampliamente distribuidos en el medio ambiente que su significado
como indicadores de contaminación
fecal está seriamente
restringido.8
1.2.4 Otros microorganismos Indicadores.
Entre otros microorganismos que se usan a veces como indicadores
podemos mencionar:
a.
Staphylococcus Aureus, para la contaminación procedente de
vías orales, nasales, piel y otros orígenes.
b.
Bacterias mesófilas esporuladas como indicadores de un
tratamiento térmico insuficiente de los alimentos enlatados o de un
almacenamiento prolongado sin refrigeración de los alimentos
cocinados, tales como la carne y el arroz
Los indicadores mencionados no se utilizan de
modo general,
posiblemente porque cada uno de ellos presenta determinados
inconvenientes.9
10
1.3 TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL EN LA PLANTA DE
COVICORTI.
Los productos de desecho arrastrados por el agua procedente de las
viviendas e industrias, es necesario tratarlos antes de enterrarlos o
devolverlos a los sistemas hídricos locales, es así que en muchas
ocasiones suelen ser depuradas bajo distintos procesos físicos, químicos y
biológicos. La depuración cobró importancia progresivamente desde
principios de 1978. El tratamiento de aguas negras puede incluirse en
varios procesos, como el tratamiento preliminar destinado a eliminar o
separar sólidos mayores o flotantes, así como sólidos orgánicos pesados y
eliminar cantidades excesivas de aceites o grasas.10
Las lagunas de estabilización u oxidación como la de Covicorti, son
estructuras simples utilizadas para embalsar aguas residuales, el propósito
es reducir la contaminación presente en esta agua, la cual se controla
mediante la disminución de organismos patógenos y no patógenos,
disminución de DBO y DO de modo que se pueda permitir el rehúso del
líquido o su descarga al mar en mejores condiciones respetando los límites
permisibles.11
En el Perú las lagunas de estabilización vienen operando desde hace
varios años, es así que en la ciudad de Trujillo, a partir de 1998 se
sumaron dos nuevos sistemas de tratamiento de aguas residuales
conocidos como El Cortijo y Covicorti.7
Las aguas residuales provenientes de la ciudad de Trujillo y alrededores
son dirigidas a cinco zonas receptoras: El Cortijo, Parque Industrial, El
Milagro, Valdivia y Covicorti; en esta última se obtuvieron las muestras.
El sistema de Covicorti se encuentra ubicado al oeste de la ciudad de
Trujillo, capta aproximadamente el 60% del agua residual que se consume
en la ciudad de Trujillo y que corresponde a los distritos del Porvenir y
Centro cívico de Trujillo.
11
Inicialmente, la laguna del Covicorti fue diseñada como piloto, es decir que
su capacidad de tratamiento era pequeña, pero a través de los años se ha
ido elevando el nivel del afluente excediendo su capacidad, la
construcción de más pozas ha logrado menguar el problema, sin embargo
la capacidad aún es limitada e insuficiente para la cantidad de agua
residual que genera la ciudad; esta situación obliga a que se regule el
caudal descargando agua residual al mar sin tratamiento previo.
El caudal que llega a la planta y para el que está diseñada, oscila entre
400 y 700 litros/seg, además cuenta con cámara de rejas de limpieza
mecánica y 11 motores que inyectan aire a las lagunas.12
Las aguas negras que ingresan a la planta de Covicorti son sometidas a
tratamiento primario (separación de sólidos de tamaño mayor a 2 cm), en
promedio se generan diariamente 700 kg de residuos sólidos, estos son
secados y tratados con cal o hipoclorito de calcio; para luego llevarlos a su
disposición final.11
El pH de las aguas residuales que ingresan a la planta alcanzan niveles
de hasta 12; después del tratamiento primario, las aguas son bombeadas
a una laguna de tratamiento secundario de 54 000 m 3 de capacidad, la
misma contiene 11 aireadores que generan 1,1 kg de oxígeno por Kw –h
con una potencia de 7,5 Hp; esta laguna tiene una profundidad de 4
metros y contiene bacterias aeróbicas, material suspendido particulado y
material biológico suspendido volátil.11
El agua procesada en esta laguna contiene entre 0,8 a 0,9 mg de oxígeno
residual (disuelto) por litro y se remueve en un 80% el DBO. El tiempo de
retención en esta laguna de tratamiento secundario es de 1 a 2 días,
dependiendo de las características del agua y cantidad del caudal de
ingreso.
12
Luego de este tratamiento, las aguas son conducidas a las cuatro lagunas
facultativas, donde continúa la inyección de aire y la remoción de DBO en
el orden del 12 a 13%.
En las lagunas facultativas se procesa alrededor de 144 000 m3 de agua
residual; también se generan alrededor de 3 m 3/día de lodo residual que
contienen aceites y grasas, estos lodos se llevan a secado natural para su
posterior disposición final.11
En el estudio elaborado por Casanova, 2000, se reportan entero bacterias
en el sedimento de las lagunas de oxidación de Covicorti, comprendidas
en un rango de 2,1 x 107 a 6,8 x 107 NMP/100 ml, esto en las lagunas
aireadas, mientras que en las facultativas es de 5,4 x 107.
En el anexo 1, se muestra la ubicación de la planta de Covicorti.
1.4 CALIDAD DEL AGUA TRATADA EN COVICORTI.
Como resultado del trabajo de campo realizado por Sedalib y Pérez, 2003
se reportaron los siguientes resultados:
CUADRO Nº 1.4: Composición típica de agua residual de la laguna de
Covicorti (efluente)
PARAMETROS
RESULTADOS PROMEDIO
Sólidos en Suspensión (mg/L).
130
DBO (mg/L).
87,54
Cloruros (mg/L).
32
pH.
7,1
Temperatura Superficial.
23,1
2,9 x 107
Coliformes Totales (ufc/mL)
Fuente: SEDALIB/ PÉREZ, R. UNT. 2003.
El rendimiento del método de inyección de aire en la laguna de
estabilización para el parámetro DBO fue de 63,92%, mientras que para los
coliformes totales fue de 5,08%.12
13
Es importante indicar que estos rendimientos no logran los niveles
adecuados para que el agua tratada de la laguna de Covicorti sea
caracterizada como agua de tipo III, cuya reutilización sería el riego de
campos de cultivo (ver anexo 2).
1.5 El OZONO.
El ozono es una variedad alotrópica del oxígeno, que se genera a través de
las tormentas eléctricas, la radiación ultravioleta y la actividad humana. El
oxígeno existe como elemento de más de una forma, una de estas es la
que se conoce como Ozono.
El oxígeno raramente existe en estado monoatómico (O); normalmente se
asocia con otro átomo del mismo elemento y adopta la forma biatómica
(O2), siendo esta molécula más estable.13
Cuando al oxígeno biatómico se le suministra energía (alto voltaje) se forma
la molécula de ozono (O3) mediante la siguiente reacción:
3 O2 (g)
+
ENERGÍA
2 O3 (g)
1.5.1 Características del Ozono.
 En su forma gaseosa, el ozono tiene un color permanente, azulado
y más oscuro cuando se presenta muy denso, en concentraciones
superiores a los 5 ppm es tóxico.
 Cuando se lleva el ozono a 162°K (punto de ebullición), y presión
atmosférica forma un líquido azul oscuro con una densidad de
2,144 g/L y es explosivo en virtud de la tendencia espontánea del
ozono para descomponerse en oxígeno.
 Al enfriar el ozono hasta llegar a 51°K (punto de fusión), es un
sólido de color violeta negruzco.
14
 Es más pesado y activo químicamente que el oxígeno ordinario y
un agente oxidante dada a su inestabilidad, razón por la cual se
utiliza como desinfectante y germicida.
 La vida media del ozono en el aire, es de alrededor de 20 minutos,
en el agua ésta puede ser también corta, desde 1 hasta 300
minutos.
 El ozono es un bactericida y virucida muy efectivo, asimismo, se
entiende que su efectividad es muy superior a la del cloro. 14
Todos los científicos que han estudiado la acción del ozono sobre los
virus han llegado a diversas conclusiones respecto de las
concentraciones y tiempos de contacto del ozono, tal como es el caso
de Smith y Bodkin en 1964 quienes compararon la acción bactericida
del cloro y del ozono a diferentes valores de pH, a un pH de 5, el
tiempo necesario para esterilizar un litro de muestra que contenía una
cantidad de bacterias totales de 8 x 10 7/100 mL fue de 5 minutos,
mientras que a un pH de 8 fue 7,5 minutos con concentraciones de
ozono de 7,3 y 8,2 mg/L de ozono respectivamente obteniendo como
resultado 20,8 x 105/100 mL de bacterias.15
Existen casos prácticos como el que se presenta en el Aeropuerto
Internacional Jorge Chávez (Lima), donde las aguas provenientes de
aeronaves, que son descargadas de los servicios sanitarios y
contienen niveles de coliformes arriba de 180 x 10 6 NMP/100 mL y
sobre los 1 000 ppm de DBO5, son tratadas con ozono. La
concentración de ozono utilizada oscila entre 6 y 8 mg/L hora
logrando reducir el 85% de los coliformes presentes en las aguas
descargadas por aeronaves.16
1.5.2 Generación de Ozono.
Existen diversos métodos productivos para obtener ozono, los
mismos que necesitan de un gas asociado, o dos que son el oxígeno
puro o el aire; ellos intervienen en la alimentación bruta de un
generador y según la calidad de estos gases (pto. de rocío,
15
temperatura, presión alimentación, etc.) y otras características
fisicoquímicas, serán una parte importante en la conversión de aire u
oxígeno en ozono; es decir que la eficiencia del generador depende
de cómo alimentemos al equipo y de las características de esta
alimentación.
Cuando se requiere obtener ozono en forma industrial los procesos a
aplicar pueden ser distintos:
a) Reacción Fotoquímica.
b) Disociación Térmica
c) Reacción Radioquímica.
d) Descarga Eléctrica.
e) Electrólisis sobre molécula de agua.
CUADRO Nº 1.5: Perfil energético de los métodos de obtención
de ozono.
ELECTROLISIS DEL AGUA
REACCION FOTOQUÍMICA
CON EL OXÍGENO
DESCOMPOSICIÓN TERMICA DEL
OXÍGENO
REACCION RADIOQUÍMICA
CON EL OXÍGENO LÍQUIDO
DESCARGA
ELECTRICA CON
OXÍGENO/AIRE
50
100
150
200
250
Ozono producido en gramos/Kw-h
Fuente: www.pharmaportal.com.ar17
El método mas utilizado es el de descarga eléctrica, ya que este
otorga mayor relación producción – consumo. Este método es el que
se utilizó en la presente investigación.
Ecuaciones que representan las reacciones del oxígeno para la
formación de ozono:
16
O3
O
O2
+
O3
3O2
+
O
24Kcal
2 O2
95Kcal
2 O3
71Kcal
Algunas de las propiedades químicas del ozono se pueden ilustrar
basándose en sus reacciones de descomposición, que se entiende
tiene lugar de acuerdo con las siguientes expresiones:
O3
+
H2O
HO3+
OH-
HO3+
+
OH-
2 HO2
O3
+
HO2
HO
+
2 O2
HO
+
HO2
H2 O
+
O2
+
Los radicales libres que se generan, HO2 y OH-, tienen gran poder
oxidante y son los responsables de la acción de desinfección del
proceso. Estos radicales libres también tienen suficiente capacidad
oxidante como para reaccionar con otras impurezas presentes en las
aguas.18
La destrucción de las bacterias o microorganismos se debe a la
acción de los radicales libres sobre la membrana citoplasmática que
posee importantes funciones para la supervivencia de la célula como:
permeabilidad selectiva y transporte de solutos, transporte de
electrones, excreción de enzimas como moléculas que participan en
la biosíntesis del DNA, polímeros de la pared celular y lípidos de la
membrana. Los radicales libres inducen una peroxidación lipídica
dando
como
resultado
la
destrucción
de
los
fosfolípidos,
componentes estructurales de la membrana celular. Estos además
remueven átomos de hidrógeno de ácidos grasos insaturados,
generando radicales libres lipídicos; que reaccionan con el oxígeno
dando como resultado la formación de un radical peróxido lipídico
que remueve otro átomo de hidrógeno de un segundo ácido graso
17
generando otro peróxido lipídico. Además los peróxidos por sí
mismos actúan como radicales libres iniciando una reacción en
cadena auto catalítica dando como resultado la pérdida de los ácidos
grasos insaturados y un daño extenso en la membrana de las células
bacterianas ocasionando la muerte celular.18
1.5.3 Aplicaciones y Funciones del Ozono.
Existen diversas aplicaciones:
a) Desinfección de los afluentes de aguas servidas antes de que
ingresen en un curso de aguas.
b) Tratamiento de malos olores.
c) Desinfección de agua en embotelladoras.
d) Blanqueamiento de fibras y papeles.
e) Tratamiento y ozonación del agua de piscinas y de baños de
remolino en lugar de tratamiento tradicional por cloración.
f) Oxidación de los contaminantes en la producción de agua ultra
pura para otras aplicaciones.
g) Blanqueamiento dental y otros usos médicos.
El efecto del ozono sobre la eliminación de las sustancias químicas y
de los olores es muy efectivo. La velocidad de acción del ozono está
en función de la temperatura, del pH así como los cuerpos extraños
que pueden encontrarse en el agua.
El ozono también reduce la turbiedad, el contenido de sólidos en
suspensión y las demandas químicas y biológicas de oxígeno.
Además, puede eliminar detergentes y otras sustancias tenso activas
no biodegradables. El grado de eliminación dependerá de la cantidad
de ozono usada o concentración de ozono.20
El ozono no solo mata bacterias patógenas, si no que, además,
inactiva los virus y otros microorganismos que no son sensibles a la
desinfección ordinaria con cloro.
18
Mención especial merecen los trihalometanos (THM), que están
preocupando a las autoridades sanitarias en la mayoría de los
países, ya que éstos son compuestos orgánicos potencialmente
carcinógenos y que aparecen en el agua tras ser sometida a
cloración.21
En definitiva podemos afirmar que el ozono realiza las siguientes
funciones en el agua:
1. Mejora las características organolépticas del agua.
2. Elimina el color y sabor no deseables, atenuándolos o
eliminándolos.
3. Destrucción rápida de bacterias, virus y esporas, con cortos
tiempos de contacto.
4. Destrucción de las sales de hierro y magnesio en forma de
hidratos,
resultando
productos
fácilmente
separables
por
decantación o filtración.
5. Clarifica el agua, dejándola prácticamente limpia.
6. Su acción desinfectante cubre una amplia gama tanto de
temperaturas como de pH.
7. No crea enlaces químicos ni compuestos halogenados.
8. Es totalmente insípido.
9. Es innecesaria la utilización de productos químicos como
hipoclorito u otro, que solo personal calificado puede manejar.
10. Acción oxidante inmediata frente a las impurezas orgánicas, por
lo tanto reduce la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y la
demanda química de oxígeno (DQO).
11.Elimina los trihalometanos (THM) y sus precursores, evita la
formación de cloraminas y clorofenoles.
12.Mejora la coagulación – floculación del agua.
13.Destruye los sulfatos.
14.Oxida fenoles, pesticidas, etc.
15.Destrucción de pseudomonas aeruginosa.20
19
1.6 MÉTODO DE PRODUCCIÓN DE OZONO – AIRE.
Para generar ozono se utilizará el método de descarga eléctrica. Se hacen
pasar diferencias de potencial desde 2 000 hasta 7 000 voltios, el alto
voltaje es logrado por un transformador (elevador de voltaje) que trabaja
con 220 voltios, esta tensión es llevada progresivamente hasta los 7 000 V.
El alto voltaje genera un arco eléctrico el mismo que al chocar contra la
corriente de aire rompe las moléculas de oxígeno convirtiéndolas en
átomos libres de oxígeno, que por ser inestables se unirán a otras
moléculas de oxígeno intactas o no impactadas produciendo ozono, esta
reacción toma fracción de segundos14.
Las concentraciones de ozono han sido determinadas utilizando sensores
electrónicos medidores de ozono de alta sensibilidad, estos instrumentos se
presentan en el anexo 7.
1.7 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO GENERADOR DE OZONO (EGO).
El Equipo Generador de Ozono (E.G.O) es un aparato eléctrico al que se le
ha adecuado una estructura de soporte, accesorios y el recipiente en donde
se producirá la inyección de aire ozonizado (reactor).
El aire es alimentado a presión, para ello se utiliza una pequeña bomba, al
pasar la corriente de aire a través del arco eléctrico inmediatamente se
genera ozono aire, este impacto se produce en una sección del equipo
generador de ozono llamada Chamber o cámara de impacto, el aire
ozonizado que se genera aquí es conducido a través de mangueras de
material plástico hacia un recipiente (reactor), en el que previamente se ha
cargado la muestra.
El equipo cuenta con un selector que permite trabajar con diferentes
concentraciones de ozono, este dispositivo es un regulador de voltaje
conectado a la entrada de la alimentación de corriente generando 5
concentraciones de ozono para cinco voltajes diferentes tal como se
muestra en el cuadro Nº 1.6.
20
CUADRO Nº 1.6: Concentraciones de ozono y sus
correspondientes voltajes.
Selector
1 (220V)
2 (195 V)
3 (175 V)
4 (140 V)
5 (125 V)
Voltaje
7 000
6 200
5 500
3 500
2 000
Ozono (ppm)
9,20
8,90
8,65
7,93
6,72
Fuente: Datos obtenidos en Laboratorio
A fin de lograr una distribución adecuada del ozono y mayor efectividad del
mismo la manguerilla que transporta ozono va conectada a un difusor, que
genera burbujas pequeñas que contienen ozono y que entran en contacto
con el agua residual. Es así como se produce la desinfección.
1.7.1 Especificaciones del Equipo.
a. Regulador de voltaje.- Es un accesorio eléctrico conectado a un
transformador que permite lograr cinco variaciones en el voltaje,
estas variaciones van desde 120, 140, 160, 190 y 220 V. Esto hace
variar la elevación de potencial en el elevador de corriente generando
también otros cinco voltajes que van desde 2 000 hasta 7 000 V, tal
como se muestra en el cuadro Nº 1.6.
b. Bomba de aire.- Este aparato eléctrico inyecta aire seco a una
presión de 0,057 psia al sistema, funciona con 220 voltios y 0,9 mA,
alimenta 1,5 litros de aire por minuto, el motor es de tipo HP-100,
estructura de plástico. Desde esta bomba sale una manguera la cual
se conecta directamente al Chamber.
c. Transformador elevador
Este transformador eleva el voltaje hasta alcanzar los 7 000 voltios, el
núcleo es de ferrita, el transformador lleva el alto voltaje a través de
una conexión directa al Chamber en donde se generará ozono.
21
d. Chamber
Este aparato que funciona como electrodo es el corazón del equipo,
está construido de vidrio, cuenta con filamentos que conducen el alto
voltaje hacia una sección en donde se genera el arco eléctrico que
será impactado por el aire a presión alimentado por la bomba y que
cruza por esta sección generando instantáneamente ozono, puede
reconocerse la generación del mismo por el olor particular del aire
que sale por la parte posterior del Chamber, es aquí donde se
efectuó la medición del ozono generado para cada voltaje, utilizando
instrumentos de medición llamados ozonometros (Ecco sensores).
El Chamber está protegido por una tubería de PVC, Del Chamber
sale una manguera de 6 mm de diámetro interno que se conecta con
una válvula check para evitar que la muestra sea succionada por el
Chamber lo cual ocasionaría corto circuito e inclusive explosión del
equipo.
e. Reactor
Es un recipiente plástico de forma cilíndrica con base cóncava, en
cuya base se encuentra una piedra difusora, se decidió trabajar con
este tipo un difusor debido a que soporta el impacto de ozono y
produce burbujas pequeñas y homogéneas que es lo que se desea a
fin de lograr la mayor área posible de contacto.
El recipiente tiene una capacidad de 4,7 litros, el diámetro de la parte
cilíndrica del reactor es de 15 cm y una altura de 22 cm, el fondo del
mismo tiene forma cónica con una altura de 8 cm, aquí se dispone el
difusor y está montado sobre una estructura de aluminio que le
otorga estabilidad.
Todos los detalles correspondientes a las especificaciones técnicas
del equipo generador de ozono se presentan en el anexo 3.
22
GRÁFICO Nº 1.2: Vistas del Equipo Generador de Ozono.
1.8 EL REACTOR Y LA CINÉTICA
1.8.1 El Reactor
Aunque un reactor no es siempre la parte más costosa de un proceso,
es invariablemente la más crucial. La Economía de un proceso se ve
afectada por el rendimiento y calidad del producto, factores que son
directamente controlados por la reacción química.
El diseño de un reactor implica primero determinar el tipo y forma del
reactor, dadas las condiciones de operación necesarias para obtener
el producto o reacción deseada (diseño de proceso).
23
El reactor no trabaja con temperaturas altas, por ello no requiere
sistema de intercambio de calor o estructuras termo resistentes; dado
que se utiliza agua se requirió un reactor cilíndrico o tipo tanque.
El ozono es muy corrosivo, por ello el reactor está construido de
plástico, la reacción de reducción de coliformes o muerte celular
generada por la inyección de ozono es heterogénea, el ozono aire es
inyectado al reactor produciendo burbujas pequeñas a fin de facilitar
el contacto con la muestra y darle eficiencia al proceso, la mejor
posición del difusor es en el fondo de la columna desde donde
ascenderían las burbujas facilitando la homogeneización de la
mezcla.
Otro aspecto importante es conseguir que el reactor diseñado sea
estable y seguro, puesto que fuera del reactor se trabaja con elevado
voltaje. En la sección de generación o chamber se forma un arco
eléctrico, ésta sección se conecta a través de una manguera con el
reactor, por ello fue necesario instalar una válvula check a fin de
evitar que el agua ozonizada ingrese al chamber, lo que podría
generar un corto circuito.
Un biorreactor puede definirse como un depósito en el que se
producen una serie de reacciones biológicas y/o bioquímicas
producidas por los microorganismos o por algún agente químico. En
el tratamiento de los residuos peligrosos, urbanos o industriales, los
biorreactores
se
emplean
principalmente
para
reducir
la
concentración de contaminantes presentes en aguas residuales
afluentes, teniendo como parámetros los límites permisibles. 22
El EGO cuenta con un biorreactor semibatch de columna de burbujas
con flujo ascendente de aire (airlift), no requiere agitación mecánica,
la aireación y la mezcla se alcanza mediante la inyección de gas
(ozono), es de estructura sencilla, de forma cilíndrica con alturas
superiores al doble de su diámetro, la principal ventaja de este tipo de
24
reactor es su economía, ausencia de partes móviles y un adecuado
rendimiento de la transferencia de materia y de la transmisión de
calor.23 El Reactor del EGO no genera gran cantidad de espuma, la
misma desaparece en 8 minutos en promedio.
En el gráfico Nº 1.3, se presenta el detalle de este tipo de reactor.
Normalmente los difusores se montan en el fondo del depósito, ello
con la finalidad de proporcionar una oxigenación uniforme en el
líquido. Las burbujas producidas por el difusor generan también un
flujo inducido que mezcla el líquido verticalmente manteniendo la
biomasa y los sólidos en suspensión.
La hidrodinámica de la columna de burbujas y las características de
la transmisión de calor dependen del comportamiento de las burbujas
formadas en el difusor. 24
GRÁFICO Nº 1.3: Biorreactor de columna
de burbujas
Fuente: Ingeniería de los Bioprocesos. DORAN, P. 2001
En este régimen de flujo caótico las burbujas y el líquido tienden a
ascender por el centro de la columna mientras que en la proximidad
de las paredes existe un flujo descendente de líquido. La circulación
de líquido arrastra a las burbujas y produce retromezcla del gas, la
velocidad ascendente del líquido por el centro de la columna para un
25
diámetro en particular (0.1 m < D <7,5 m) se determina a través de la
siguiente ecuación:
µL = 0.9(gDG)0.33.......................(1)
Donde µL es la velocidad lineal del líquido, g la aceleración de la
gravedad, D el diámetro de la columna y µG la velocidad superficial
del gas que es igual al caudal de gas a presión atmosférica dividido
por el área de la sección transversal, a partir de esta ecuación puede
obtenerse una expresión para el tiempo de mezcla o de
homogenización (TH):
TH = 11 H (gµGD -2)-0.33...............(2)
D
TH es el tiempo óptimo de homogenización o el tiempo en el cuál el
agua y el gas (ozono) logran mezclarse adecuadamente, H es la
altura de la columna de burbujas.
Dado que cada muestra es de 625 mL de agua residual, esta alcanza
una altura de 8 cm mientras que el diámetro del reactor en la sección
del fondo es de 15 cm.
Los valores para los coeficientes de transferencia de materia gaslíquido en reactores dependen fuertemente del diámetro de la
burbuja y de la cantidad de gas existente en la columna.25
En los reactores de columna de burbujas es muy difícil medir con
exactitud los tamaños de las burbujas y las corrientes de circulación
del líquido, es entonces difícil calcular con exactitud el coeficiente de
transferencia de materia, por ello para medios no viscosos con flujos
heterogéneos23 como es el presente caso se tiene la siguiente
ecuación:
KLa = 0.32µG0,7 ............................(3)
26
KLa es un coeficiente de transferencia de materia volumétrico
combinado, la ecuación 3 es válida para burbujas con diámetro
medio menor a 6 mm, lo cual se ajusta a las burbujas generadas por
el difusor del equipo.24
Determinación de la velocidad superficial del gas µG, tiempo de
homogeneización TH y el coeficiente de transferencia de materia KLa:
1. Velocidad superficial del gas µG :
µG = Qgas
Ast
Qgas: caudal del gas (1,5 L/min.).
Ast
: Área de la sección transversal
Ast = πr2
r = 0.075 m2
Ast = 0,0177 m2
µG= 1,42x10-3 m/s
2. Tiempo de homogeneización TH:
TH = 11 H (gµGD -2)-0.33
D
TH = 11(8x10-2m)(9,8m/s2*1,42x10-3m/s*0,15m2)-0.33
0,15 m
TH = 6.875 seg.
3. Coeficiente de transferencia de materia KLa:
KLa = 0.32µG0,7
KLa = (0,32)(1,42x10-3)0.7
KLa = 3.25x10-3
1.8.2 Cinética de la reacción.
La velocidad de reacción depende de la concentración del sustrato,
cuando las concentraciones del sistema varían, el análisis cinético
27
llega a ser muy complejo, la ecuación que determina la velocidad de
reacción es la habitualmente utilizada: 24
ri = dC/dt........................(4)
Para la investigación, la velocidad de reacción se calcula tomando
como parámetros la disminución de la población de coliformes totales
por unidad de tiempo.
La ecuación 4 representa la velocidad de reacción para un sistema a
volumen constante.
El agua residual se adhiere a la superficie de las burbujas que salen
del difusor y que contienen los radicales libres responsables de la
desinfección, en esta superficie se inicia el trabajo de eliminación de
coliformes a una velocidad variable puesto que la concentración de
coliformes en la superficie de la burbuja no es constante, por ello se
trata de una cinética de primer orden, generalmente las reacciones
que evalúan reducción de DBO son de primer orden.24
Los datos experimentales se presentan gráficamente para luego ser
evaluados, observar su tendencia y determinar la correspondiente
ecuación, para ello se trabajará con los datos experimentales de las
dos
últimas
corridas
que
corresponden
a
las
más
altas
concentraciones.
Es necesario trabajar directamente con el decrecimiento celular o
cinética
de
muerte
celular.
Tanto
el
crecimiento
como
el
decrecimiento celular se ajustan a ecuaciones de tipo exponencial.24
La cinética de muerte celular es un factor importante que debe
tenerse en cuenta al diseñar procesos de desinfección y/o
esterilización. En un ambiente letal natural o inducido, las células de
una población no mueren todas a la vez sino que la desactivación del
28
cultivo se produce durante un periodo finito de tiempo que depende
del número inicial de células y de la severidad de las condiciones
impuestas. Esta pérdida puede describirse matemáticamente para
una cinética de primer orden: 22
rd = kdN ......................(5)
Donde rd es la velocidad de muerte celular, N es el número de
células
iniciales
y
kd
la
constante
de
muerte
específica.
Alternativamente la velocidad de muerte celular puede expresarse
mediante la concentración de células en vez del número de células.
rd = kdx ......................(6)
En un sistema cerrado en el que la muerte celular es el único
proceso que afecta la concentración de las células, la velocidad de
muerte celular es igual a la velocidad de disminución del número de
células, es decir:
rd = -dN = kdN ............(7)
dt
Si kd es constante, la ecuación 7 puede integrarse obteniendo una
expresión para N en función del tiempo:
N = N0 e-kdt................. (8)
Donde N0 es el número de células viables a tiempo cero, aplicando
logaritmos neperianos a ambos lados de la ecuación se obtiene:
lnN = lnN0-kdt............(9)
29
La ecuación 9 nos permitirá obtener una recta de pendiente –kd
medidas experimentales han confirmado que la ecuación se adapta
muy bien a la cinética de muerte celular.
Al igual que otras constantes cinéticas, el valor de kd depende de la
temperatura. Este efecto puede describirse mediante una relación
tipo Arrhenius; es importante indicar que pequeños incrementos en la
temperatura presentan un marcado efecto en kd y en la velocidad de
muerte celular25, para el caso del EGO la temperatura en el reactor
durante la experimentación se mantuvo constante. Los gráficos y
ecuaciones se muestran en el capitulo de resultados.
30
II. MATERIAL Y METODO
2.1 MATERIAL
2.1.1 Muestras
El muestreó se llevó a cabo durante cuatro días, las muestras
fueron tomadas a la entrada de la laguna primaria (afluente), esta
agua residual que ha sido sometida a pretratamiento es
denominada agua cruda, se utilizaron botellas de plástico de boca
ancha previamente lavadas, desinfectadas y rotuladas, se tomaron
45 muestras que totalizaron 16,25 litros.
2.1.2 Punto de muestreo
En el gráfico Nº 2.1 se indica el punto de muestreo y en el anexo 4
se presentan las fotos correspondientes a esta operación.
2.2 MÉTODO
El muestreo se efectuó entre las 9: 00 y las 11:30 a.m. que son las horas
en las que se incrementa la carga en la laguna de oxidación según
reportes del personal que labora en la planta. Se tomaron muestras
utilizando frascos de boca ancha para luego trasvasarlas en botellas de
plástico de 625 mL previamente rotuladas.
Se tomo una muestra como blanco en cada prueba o día de muestreo,
siendo su temperatura promedio de 19 ºC.
Las muestras recolectadas fueron procesadas en el laboratorio de
fitoquímica de la Facultad de Ingeniería Química, antes de someterlas a
ozonización fueron filtradas utilizando tela limpia; en el anexo 5 se
muestran las fotos correspondientes a la ozonización.
31
Se inyectó ozono desde la concentración más baja hasta la más alta,
esta operación se efectuó durante 5 minutos al principio, luego 10
minutos, 15, 20, 30, 50 y 90 minutos. Al trabajar con tiempos mayores a
los 5 minutos durante las pruebas preliminares, se encontró que las tres
primeras concentraciones lograban disminuir la cantidad de coliformes
totales, por ello se prefirió trabajar con concentraciones de 8,65 ppm,
8,90 ppm y 9,20 ppm de ozono para todos los tiempos antes
presentados.
Al final de cada prueba se lavó el reactor, las muestras ozonizadas
fueron depositadas en botellas nuevas y esterilizadas enviándolas
inmediatamente para el análisis microbiológico correspondiente.
Los resultados de los diversos análisis microbiológicos se presentan en
el anexo 6.
En el siguiente cuadro se explica el muestreo efectuado y las
correspondientes concentraciones de ozono con las cuales se trabajó.
CUADRO Nº 2.1: Muestreo final e inyección de ozono
MUESTRAS
CC
Ozono
(ppm)
Tiempo de
inyección
(minutos)
Blanco
0.00
1
9,20
5/15/20/30/50
2
8,90
5/15/20/30/50
3
8,65
5/15/20/30/50
Se eligió la entrada a la laguna aireada Nº1 como punto de muestreo
debido a que es allí donde llega el afluente, además que la eficiencia del
tratamiento por aireación a nivel de reducción de coliformes totales es
mínimo, lo cuál no hace necesario un muestreo a la salida de la planta
de Covicorti.
32
Las muestras tomadas que se presentan en el cuadro Nº2.1 fueron
analizadas para determinar coliformes totales y DBO 5 el cuál se hizo
únicamente para las dos primeras concentraciones de 9,20 y 8,90 ppm
de ozono y un tiempo de ozonización de 15 y 30 minutos para cada
concentración.
En la última prueba se inyectó ozono a 5 muestras con tiempos desde
30 hasta 90 minutos además de 4 pruebas adicionales para determinar
DBO con tiempos de ozonizado de 10, 20 y 30 minutos para ambos
casos se consideró el correspondiente blanco.
A continuación los detalles referentes al muestreo según fecha y hora:
CUADRO Nº 2.2: Distribución de muestras por día
MUESTRA
FECHA
HORA
CANTIDAD
MUESTRAS
Prueba Preliminar
23 Mayo 2005
11 a.m.
5
Prueba 1
31 Mayo 2005
11 a.m.
3
Prueba 2
8 Junio 2005
9 a.m.
4
Prueba 3
13 Junio 2005
11:30 a.m.
23
Prueba 4
05 Julio 2005
11:30 a.m.
10
33
GRÁFICO Nº 2.1: Zona de muestreo / Vista horizontal superior de la planta de tratamiento de Covicorti (S/E)
Fuente: SEDALIB.2003
34
2.3 ANÁLISIS DE LAS MUESTRAS.
2.3.1 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
Se utilizó el protocolo según los Métodos Normalizados, 5210 B,
1998. APHA26, Los detalles referentes al procedimiento se
presentan en el anexo 8.
2.3.2 Coliformes Totales.
Se utilizó la técnica del número más probable (NMP/100 mL), que
es el método más usado y reconocido según el protocolo de APHA,
Métodos normalizados para el análisis de aguas y aguas residuales
4500 P APHA.26
2.3.3 Otros Análisis.
a) pH.- Se tomó el pH inicial al momento de cargar el agua residual
al equipo y el pH después de la ozonización, para lo cuál se utilizó
un pH metro.
b) Temperatura.- Se tomó temperatura inicial y final.
c) Pruebas organolépticas
 Color.- Ello se hizo mediante observación, se verificó el color
del agua antes y después de la ozonización.
 Olor.- el método similar al punto anterior utilizando el sentido
del olfato, se procedió a oler la muestra antes y después de la
ozonización.
35
III. RESULTADOS
3.1 ANÁLISIS PRELIMINAR DE COLIFORMES TOTALES
CUADRO Nº3.1: Reducción de Coliformes Totales preliminar
MUESTRA
DOSIS
TO
RESULTADO
%
OZONO (ppm)
(minutos)
NMP/100 mL
REDUCCION
0,00
9,20
8,90
8,60
6,72
5
5
5
5
5
9,60E+07
6,40E+07
9,60E+07
9,60E+07
9,60E+07
0
33,3
0,00
0,00
0,00
5*
1
2
3
4
5* : Blanco
Coliformes Totales NMP/100 mL
TO: Tiempo de ozonización
1,20E+08
1,00E+08
8,00E+07
6,00E+07
4,00E+07
2,00E+07
0,00E+00
6,00
6,50
7,00
7,50
8,00
8,50
9,00
DOSIS OZONO (ppm)
GRÁFICO Nº3.1: Reducción de Coliformes Totales
(Preliminar)
36
9,50
3.2 PRUEBAS
CUADRO Nº3.2: Reducción de Coliformes Totales Mín. y Máximo
(Prueba 1)
MUESTRA
DOSIS
TO
RESULTADO
%
OZONO (ppm)
(minutos)
NMP/100 mL
REDUCCION
0,00
9,20
6,72
0
40
40
9,60E+07
6,40E+06
9,60E+07
0
93,33
0,0
1*
2
3
1* : Blanco
TO: Tiempo de ozonización
CUADRO Nº3.3: Reducción de Coliformes Totales 9,2 ppm
(Prueba 2)
MUESTRA
DOSIS
TO
RESULTADO
%
OZONO (ppm)
(minutos)
NMP/100 mL
REDUCCION
0,00
9,20
9,20
9,20
0
10
30
50
9,60E+07
2,00E+07
9,30E+06
2,00E+06
0
79,17
90,31
97,92
1*
2
3
4
1* : Blanco
TO: Tiempo de ozonización
Coliformes totales NMP/100mL
1,20E+08
1,00E+08
8,00E+07
9,2 ppm
6,00E+07
Exponencial (9,2 ppm)
4,00E+07
y = 7E+07e
2,00E+07
-0,0708x
0,00E+00
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo (minutos)
GRÁFICO Nº3.2: Reducción de Coliformes Totales 9,2 ppm
y línea de tendencia (Prueba 2)
37
CUADRO Nº3.4: Reducción de Coliformes Totales 9,20 ppm
(Prueba 3)
TO
RESULTADO
%
(minutos)
NMP/100 mL
REDUCCION
0
5
15
20
30
50
9,60E+07
6,40E+07
1,70E+07
1,50E+07
9,30E+06
2,00E+06
0
33,333
82,292
84,375
90,313
97,917
CUADRO Nº3.5: Reducción de Coliformes Totales 8,90 ppm
(Prueba 3)
TO
RESULTADO
%
(minutos)
NMP/100 mL
REDUCCION
0
5
15
20
30
50
9,60E+07
9,60E+07
7,40E+07
4,30E+07
3,50E+07
2,10E+07
0
0,000
22,917
55,208
63,542
78,125
CUADRO Nº3.6: Reducción de Coliformes Totales 8,65 ppm
(Prueba 3)
TO
RESULTADO
%
(minutos)
NMP/100 mL
REDUCCION
0
5
15
20
30
50
9,60E+07
9,60E+07
9,60E+07
6,40E+07
4,30E+07
2,80E+07
0
0,000
0,000
33,333
55,208
70,833
38
Coliformes Totales (NMP/100mL)
1,20E+08
1,00E+08
9,2 ppm
8,00E+07
8,9 ppm
8,65 ppm
6,00E+07
4,00E+07
2,00E+07
0,00E+00
60
50
40
30
20
10
0
Tiempo (minutos)
GRÁFICO Nº3.3: Reducción de Coliformes Totales comparativo a tres
concentraciones (Prueba 3)
Coliformes Totales (NMP/100mL)
1,20E+08
1,00E+08
8,00E+07
9,2 ppm
Exponencial (9,2 ppm)
6,00E+07
4,00E+07
y = 8E+07e-0,0756x
2,00E+07
0,00E+00
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo (minutos)
GRÁFICO Nº3.4: Reducción de Coliformes Totales línea de tendencia
para 9,2 ppm (Prueba 3)
39
CUADRO Nº3.7: Reducción de DBO5 8,90 y 9,20 ppm
(Prueba 3)
TO
DOSIS OZONO
RESULTADO
%
(minutos)
ppm
ppm DBO5
REDUCCION
0
15
15
30
30
0
9,2
8,9
9,2
8,9
4,70E+02
1,10E+02
3,06E+02
9,00E+00
6,70E+01
0
76,596
34,894
98,085
85,745
CUADRO Nº3.8: Reducción de Coliformes Totales 9,20 ppm
(Prueba 4)
MUESTRA
TO
RESULTADO
%
(minutos)
NMP/100 mL
REDUCCION
0
30
50
70
80
90
9,80E+07
8,90E+06
2,20E+06
3,08E+05
2,78E+04
3,87E+03
0
90,918
97,755
99,686
99,972
99,996
1*
2
3
4
5
6
1* : Blanco
Coliformes Totales (NMP/100mL)
TO: Tiempo de ozonización
2,10E+08
1,95E+08
1,80E+08
1,65E+08
1,50E+08
9,2 ppm
1,35E+08
Exponencial (9,2 ppm)
1,20E+08
1,05E+08
y = 2E+08e-0,1076x
9,00E+07
7,50E+07
6,00E+07
4,50E+07
3,00E+07
1,50E+07
0,00E+00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Tiempo (minutos)
GRÁFICO Nº3.5: Reducción de Coliformes Totales 9,2 ppm
Línea de tendencia (Prueba 4)
40
CUADRO Nº3.9: Reducción de DBO5 9,20 ppm
(Prueba 4)
MUESTRA
1*
2
3
4
TO
RESULTADO
%
(minutos)
ppm DBO
REDUCCION
0
10
20
30
510
267
22
8
0
47,647
95,686
98,431
1* : Blanco
600
550
500
DBO
(ppm DBO)
450
400
9,2 ppm
350
300
Exponen
cial (9,2
ppm)
250
200
150
100
y = 659,98e-0,1496x
50
0
0
10
20
30
40
Tiempo (minutos)
GRÁFICO Nº3.6: Reducción de Demanda Bioquímica de Oxígeno
9,2 ppm. Línea de tendencia (Prueba 4)
41
IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Para la muestra preliminar se trabajó con la concentración mínima de 6,72 ppm
hasta la máxima de 9,20 ppm para un tiempo de ozonización de 5 minutos.
Los resultados disponibles en el gráfico Nº3.1 muestran
cambio en la
reducción de coliformes totales sólo para la concentración máxima.
El análisis microbiológico correspondiente reportó 96 x10 6 NMP/100 mL para el
blanco y una reducción de 33,33% de coliformes totales para la concentración
máxima de 9,20 ppm, apreciándose un cambió en el olor del agua residual
haciéndola mas tolerable, esta experiencia preliminar es similar a la efectuada
por Velasco en 1997, quien al utilizar 5,72 ppm de ozono en aguas con elevado
contenido de patógenos logró niveles de reducción de 75% para 5 minutos de
ozonización.
Por las experiencias previas se debió elevar el tiempo de ozonización en todas
las concentraciones, de acuerdo con la investigación de Kinman y Kessel, 1987
quienes utilizaron 5 minutos de ozonización para reducir E. coli en agua y 12
minutos para reducir virus de poliomielitis.
El siguiente análisis corresponde a la prueba 1, se consideró un tiempo mayor
de ozonización de 40 minutos, se aplicó la concentración mínima 6,72 ppm y la
máxima de 9,20 ppm. El análisis microbiológico reportó un nivel de 96 x10 6
NMP/100 mL para el blanco, pH de 7,5 y una importante reducción de
coliformes del 93,3% para la máxima concentración. La mínima concentración
no presentó variación alguna a pesar del elevado tiempo de ozonización.
El primer resultado contrasta con el obtenido por Vargas, 2001 en el
Aeropuerto Internacional de Lima en donde la aplicación de 6 a 8 mg/L hora de
ozono logró reducir los coliformes en 85%. Igual que la recomendación de
Camargo (Empresa Busersa S.A.), 2004 quien según su experiencia 6 ppm es
la cantidad mínima para trabajar con aguas residuales.
42
El gráfico Nº3.2 presenta los resultados obtenidos con la prueba 2, en la cuál
se trabaja con la máxima concentración de ozono (9,20 ppm) inyectado durante
10, 30 y 50 minutos. El blanco o muestra no ozonizada al ser evaluada dio un
resultado en coliformes totales de 96 x106 NMP/100 mL Con la concentración
máxima se obtuvieron reducciones en coliformes de 79,17% para 10 minutos
de ozonización; 90,31% para 30 minutos y 97,92% para 50 minutos.
Pudo observarse cambios en el color del agua tratada haciéndola más
translúcida. Esto concuerda con las investigaciones de Shuler, 2003 en la que
se indica que la efectividad del ozono es superior a la del cloro. Además la
ozonación no produce sólidos disueltos ni se ve afectada por la presencia del
ión amonio ni por el pH del agua que entra en el proceso de desinfección.
Según Shuler El ozono generado actúa como un coagulante logrando reducir
los sólidos en suspensión en más de 50%.
A este nivel de reducción de coliformes se logra cumplir con la hipótesis
planteada puesto que el resultado obtenido en las pruebas excede en más de
7% el porcentaje de reducción planteado, esta información permitirá cumplir
con los demás objetivos.
El resultado obtenido a 30 minutos de ozonización y 9,20 ppm de O3 corrobora
el resultado obtenido en la prueba trabajada a 40 minutos (prueba 1), con estos
resultados se decidió efectuar pruebas simultáneas con varios tiempos de
ozonización. En esta prueba también se percibió desaparición total del olor
característico del agua residual, adquiriendo el olor de ozono y una ligera
coloración azulada en las muestras ozonizadas. Finalmente el agua adquirió un
aspecto más claro, ello se verifica con lo expuesto anteriormente en la sección
1.5.3. En donde se explica que el ozono reduce la turbiedad actuando como
coagulante además de la investigación hecha por Shuler, 2003.
El gráfico Nº3.2 muestra la línea de tendencia (exponencial) para la curva
obtenida a partir del experimento correspondiente a la prueba 2. La ecuación
obtenida para la muerte celular o reducción de coliformes totales fue:
y = 7x107e-0,0708x
43
Esta es la expresión de la cinética de muerte celular similar a la obtenida por
A.E. Humphrey y N.F.Millis en 1975, trabajaron con Escherchia coli evaluando
la muerte celular en función del incremento de temperatura.
La prueba 3, fue sometida a tres concentraciones distribuidas en cinco tiempos
de ozonización tal como se muestra en los cuadros Nº 3.4, 3.5 y 3.6. En el
gráfico comparativo Nº3.3, se muestran las tendencias, los mayores valores de
coliformes totales corresponden a los blancos. Con la concentración de 8,65
ppm se logró una reducción máxima de coliformes totales de 70,8% y un
tiempo de ozonización de 50 minutos. Para la concentración de 8,90 ppm y el
mismo tiempo de ozonización se logró una reducción de 78,1%. Finalmente
para la concentración máxima de 9,20 ppm y a 50 minutos de inyección se
redujo 97,9% de coliformes. Este resultado confirma que es recomendable
trabajar con esta última concentración.
Así mismo, para la prueba 3 se efectuaron análisis de DBO5, durante 15 y 30
minutos de inyección de ozono, los resultados presentan niveles reducciones
de 85,7% para 30 minutos de inyección según se indica en el cuadro Nº3.7.
En el gráfico Nº3.4 se presenta la línea de tendencia para la prueba 3 cuya
expresión es: y = 8x107e-0,0756x; en esta etapa se lograron los mejores
indicadores de reducción de coliformes.
En la experiencia anterior se determinó que 9,20 ppm es la mejor
concentración con la cual trabajar, por esto, se efectuaron 5 ultimas corridas
para cinco tiempos diferentes de ozonización (prueba 4) tal como se muestra
en el cuadro Nº3.8, el análisis microbiológico determinó una reducción de
coliformes totales de 99,996% para un tiempo de 90 minutos de ozonización, la
ecuación obtenida para esta prueba es y = 2x10 8e-0.1076x, la cantidad de
coliformes totales para el blanco se incrementó a 98x 10 6NMP/100 mL. La
reducción alcanzó los 3 870 NMP/100 mL de coliformes totales, esto es 29,2%
por debajo del límite permisible según la ley general de aguas (anexo 2). Este
resultado concuerda con lo afirmado por Smith y Bodkin, 1944 quienes
44
compararon la acción bactericida del cloro y del ozono, determinando que el
tiempo necesario para esterilizar un litro de muestra que contenía una cantidad
de bacterias totales de 8 x 107/100 mL, fue de 7,5 minutos para una
concentración de ozono de 8,20 mg/L; demostraron que el nivel de bacterias
alcanzado fue de 2,1 x 106/100 mL, lo cuál representa una reducción de 97,4%.
Este resultado es similar al logrado por Mc. Ann, 1997 en Suiza con el agua del
Lago Petit. El ozono en concentraciones de 1 mg/L reduce el contenido en
bacterias totales desde 190/mL a menos de 1/mL en un tiempo de contacto de
un minuto, representando una reducción de 99,5%.
En cuanto a la DBO5 los porcentajes de reducción prácticamente coincidieron
con la experiencia anterior, los resultados muestran para 10 minutos una
reducción de 47,6%, para 20 minutos, una reducción de 95,7% y para 30
minutos, 98,4%. En este último resultado se alcanza 8 ppm de DBO, el mismo
que se encuentra por debajo de los límites permisibles (15 ppm para aguas de
tipo III), los resultados presentados son similares a los obtenidos por Mc. Ann
quien también desarrolló una evaluación con DBO5 .
Las pruebas realizadas en varias ocasiones demuestran que la concentración
efectiva de ozono para el tratamiento de agua residual en el caso específico del
agua residual de la laguna de Covicorti es de 9,20 ppm, la misma que al ser
inyectada durante 90 minutos logra reducir los coliformes totales en 99,996%.
Este es un parámetro muy importante a tener en cuenta para efectuar una
caracterización del agua, el cual cumple con los límites permisibles para la
reutilización de esta agua según las especificaciones como agua de tipo III.
La experiencia demuestra que concentraciones menores a 9,2 ppm también
logran importantes resultados solo que requieren más tiempo para lograr
índices de desinfección mayores a 95%.
45
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
 Se logró construir el equipo generador de ozono (EGO) y su respectivo
reactor, para ello se tomaron en cuenta las recomendaciones de la
empresa Busersa. El equipo es básicamente eléctrico generando cinco
concentraciones de ozono, desde 6,72 hasta 9,20 ppm.
 A través de experiencias documentadas, revisión bibliográfica y la
construcción del EGO se logró conocer el principio de generación de
ozono a partir de aire impactado por un arco eléctrico de 7 000 voltios, el
método es denominado de descarga eléctrica con aire que según el
cuadro Nº1.5 es el que genera la mayor cantidad de ozono.
 La concentración óptima de ozono es de 9,20 ppm, la misma que para
un tiempo de ozonización de 90 minutos logra reducir el 99,996% de
coliformes
totales
demostrando
la
efectividad
del
ozono.
Para
concentraciones mayores 9,20 ppm se requeriría mayores niveles de
energía, además, que esto generaría elevado nivel de ozono residual lo
cual representa un riesgo de toxicidad.
 El agua residual tratada con ozono a 90 minutos y la concentración
óptima alcanzó los 3,87 x 103 NMP/100 mL, lo cual la categoriza como
agua de tipo III, con potencial de rehúso para el riego de campos de uso
agrícola.
5.2 RECOMENDACIONES

El agua residual tratada con ozono podría ser caracterizada a fin de
determinar su calidad que permita la reutilización de la misma
46
aprovechándola en riego de parques y jardines o también para el riego
de campos de cultivos de tallo largo.

La investigación desarrollada puede ser profundizada teniendo en
cuenta otros parámetros y consideraciones de ingeniería que permitan
proyectar un sistema de tratamiento a mayor escala del agua residual.

El nivel de ozono que genera el equipo es alto, el EGO genera niveles
mayores a 5 ppm que según antecedentes encontrados es considerado
tóxico, por ello es recomendable hacer trabajar el equipo en un ambiente
ventilado.
47
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