Humedales subsuperficiales horizontales en la depuración

Humedales subsuperficiales horizontales
en la depuración de aguas oleosas.
Cinética de remoción de DQO
Yaribey Mayusca González Rochea*, Maira María Pérez Villara, Pastora
Martínez Nodala, Yeniffer de la Caridad Díaz Moralesa.
Centro de Estudio de Química Aplicada. Universidad Central de Las Villas. Carretera
a Camajuaní Km 5 ½ Santa Clara. CP 54830, Villa Clara, Cuba.
a
Horizontal subsurface wetlands in decontamination of oil wastewater. Kinetics of COD removal
Aiguamolls subsuperficials horitzontals en la depuració d’aigües olioses. Cinètica de remoció de DQO
Recibido: 12 de enero de 2015; revisado: 22 de mayo de 2015; aceptado: 1 de junio de 2016
RESUMEN
En el presente trabajo primeramente se caracterizó el
agua residual oleosa efluente de la Central Eléctrica fuel oil
Santa Clara Industrial “Los Alevines”, corroborándose que
la misma no cumple con la norma cubana de vertimiento.
Se evaluó la eficiencia de remoción de DQO, grasas, aceites
e hidrocarburos en dichas aguas residuales mediante un
humedal subsuperficial horizontal experimental a escala
de laboratorio, obteniéndose el 77% de remoción para la
DQO y 87% para las grasas, aceites e hidrocarburos. Se
realizó además el estudio cinético de la remoción de DQO,
obteniéndose un mejor ajuste de los datos experimentales
al modelo de saturación o Monod, siendo las constantes
de dicho modelo (K=138,9 mg L-1 y k=4,06 mg L-1 h-1).
Palabras clave: Humedales subsuperficiales; aguas oleosas; depuración.
SUMMARY
In this paper we first characterized the oil wastewater effluent of plant for generating electric power “Santa Clara
Industrial Los Alevines”, corroborating that it does not
conform to the International Standard for discarding. The
removal efficiency of COD, fats, oils and hydrocarbons in
the wastewater through an experimental subsurface wetland at laboratory scale was evaluated, achieving 77% removal for COD and 87% for fats, oils and hydrocarbons.
50
Kinetic study of COD removal was also carried out to give
a better fit of the experimental data to the saturation model
or Monod, being the model constants (K = 138.9 mg L-1
and k = 4, 06 mg L-1 h-1).
Keywords: Subsurface wetlands; oil wastewater; purification.
RESUM
En el present treball primerament es va caracteritzar l’aigua residual oliosa efluent de la Central Elèctrica fuel Santa Clara Industrial “Els Alevins”, tot corroborant que la mateixa no compleix amb la norma cubana d’abocament. Es
va avaluar l’eficiència de remoció de DQO, greixos, olis i
hidrocarburs en aquestes aigües residuals mitjançant un
aiguamoll subsuperficial horitzontal experimental a escala
de laboratori, obtenint el 77% de remoció per a la DQO i
el 87% per als greixos, olis i hidrocarburs. També es va fer
l’estudi cinètic de la remoció de DQO, obtenint un millor
ajust de les dades experimentals al model de saturació o
Monod, on les constants d’aquest model són (K = 138,9
mg L-1 i k = 4, 06 mg L-1 h-1).
Paraules clau: Aiguamolls subsuperficials; aigües olioses;
depuració.
*Autor para correspondencia: [email protected]; Tel.
(53)(42)-281510; Fax: (53)(42)-81608
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INTRODUCCIÓN
El vertiginoso desarrollo humano y la implantación de
políticas poco comprometidas desde el punto de vista
medioambiental, ha planteado el reto de encontrar alternativas urgentes a los problemas originados por la contaminación. La disposición a los cuerpos de aguas naturales
de residuales líquidos con alto contenido de hidrocarburos
es una fuente de contaminación que ocasiona efectos adversos al ambiente. La mayor parte de la contaminación
por estos residuos líquidos proviene de fuentes terrestres
como aguas residuales industriales, derrames de petróleo,
así como por el arrastre de hidrocarburos, motivado por
las lluvias a través de los sistemas de alcantarillado y drenaje fluvial de las ciudades.
Actualmente Cuba cuenta con Centrales Eléctricas de Fuel
y Diesel, cuya función es la de entregar energía al sistema
electro energético en casos de emergencia y en horarios de
alta demanda eléctrica. En estas unidades, se genera un
residual líquido (agua oleosa) con alto contenido de grasas,
aceites e hidrocarburos, considerados residuos tóxicos y
peligrosos los cuales deben ser tratados de forma adecuada y segura para evitar posibles daños al suelo, a las aguas
superficiales, subterráneas y a la población en general.
Los métodos tradicionales desarrollados para el tratamiento de estas aguas oleosas presentan como principales
desventajas las bajas eficiencias en la depuración, los altos
costos de operación, insumos y requerimientos, obligando a la búsqueda de nuevas soluciones. El desarrollo de
técnicas de depuración natural, compatibles con el medio
ambiente y con reducidos requerimientos de inversión económica y mantenimiento, permite abordar el problema de
la eliminación de estos residuos desde una nueva perspectiva. Los humedales construidos están considerados
como sistemas naturales de tratamiento de bajo costo
tecnológico, fáciles de operar y mantener y consumo energético mínimo presentando además, armonía con el medio
ambiente. Con el empleo de los mismos como método de
tratamiento se aprovechan los procesos físicos, químicos y
biológicos que se presentan al interactuar el agua, el medio
filtrante, las plantas, los microorganismos y la atmósfera
(Yao et al., 2011); (Reed, 1995); (Kadlec and Knight, 1996).
Los humedales subsuperficiales actúan como filtros, proporcionando mecanismos de retención a sustancias tóxicas para el medio ambiente, estos sistemas poseen gran
capacidad para la remoción de hidrocarburos a pesar de
que estos compuestos son de difícil remoción en fuentes
hídricas y presentan un alto grado de complejidad (Frers,
2008). El empleo de la vegetación en los humedales permite que ocurra mecanismos de fitorremediación, los
cuales actúan como filtros biológicos que pueden descomponer, estabilizar y absorber los contaminantes de las
aguas residuales (Lee and Scholz, 2007); (Stottmeister et
al., 2003); (Vasudevan et al., 2011); (Yao et al, 2011). De
ahí que el presente trabajo tenga como objetivo evaluar el
comportamiento de un humedal subsuperficial horizontal
en la depuración de aguas oleosas a escala de laboratorio
y determinar la cinética de remoción de DQO. 0,45 m de largo, 0,33 de ancho y 0,2 m de profundidad,
logrando así una mayor oxigenación en los sistemas menos profundos (Figura 1). Al humedal experimental se le
aplicó un flujo continuo de 400 mL/h, el cual fue determinado mediante la ecuación cinética de primer orden para
la remoción de DQO, bajo un régimen de flujo de pistón
(ecuación 1) (Reed, 1995; Kadlec and Knight, 1996).
(1)
Donde:
Área Superficial (As): 0,15 m2, calculada por las dimensiones del humedal experimental.
Porosidad (η): 0,35 Según García y Corzo (2008)
Profundidad (y): 0,2 m
Concentración de DQO afluente (Co): 165 mg/L
Concentración de DQO efluente (Ce): 70 mg/L, de acuerdo
con el (Límite Máximo Permisible Promedio) LMPP de (NC
27: 2012)
Constante cinética (k): Se asume el valor reportado por
Reed, (1995) para humedales subsuperficiales que es 0,85
d-1.
Se utilizó grava de 10-15 mm como medio poroso y la
planta emergente Cyperus Alternifolius, a partir de las
altas eficiencias de remoción de los principales contaminantes, reportados por Blanco (2009) e Izquierdo (2013),
en el tratamiento de aguas oleosas en humedales de flujo
subsuperficial bajo estas condiciones.
Figura 1 Estación experimental utilizada, compuesta
por tanque estabilizador (1) y humedal construido (2).
MÉTODOS ANALÍTICOS
MATERIALES Y MÉTODOS
El agua residual afluente al sistema de tratamiento estuvo compuesta por el agua oleosa drenada del tanque de
lodo de la Central Eléctrica fuel oil Santa Clara Industrial
“Los Alevines”. A dicha agua residual afluente y efluente
del humedal se le determinaron los parámetros: pH, color
verdadero (CV), grasa, aceites (G,A) e hidrocarburo (HC),
demanda química de oxígeno (DQO) y Sólidos totales (ST).
Estos parámetros se determinaron de acuerdo a Standard
Methods (APHA-AWWA-WEF, 2005). (Tabla 1). El muestreo
se realizó sobre la base del criterio de toma de muestras
puntuales, según Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos. (INRH, 2004).
Sistema experimental a escala de laboratorio
El sistema experimental utilizado consta de un tanque
estabilizador y un humedal subsuperficial horizontal de
Experimento cinético
El estudio cinético de la remoción de los principales contaminantes se realizó mediante la evaluación de la remo-
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ción de DQO a diferentes tiempo de retención del agua
residual en el humedal, el experimento se llevó a cabo con
un flujo discontinuo, pasando el agua residual al humedal
por gravedad desde un tanque estabilizador colocado a
un nivel superior, y tomando muestras del agua residual
afluente (Co) y efluente (Ce) cada 0,1; 1; 3; 5; 9 y 24 horas respectivamente, fueron realizadas 3 réplicas de estos
experimentos.
Tabla 1 Parámetros de calidad y métodos analíticos empleados.
Parámetros
Unidades
Método Empleado
Potencial de hidrógeno
u de pH.
Método electrométrico
Color verdadero
mg/L.Pt
Método escala
platino-cobalto
Sólidos totales
mg/L
Método gravimétrico.
Demanda química de oxígeno
mg O2/L
Método dicromato.
Reflujo abierto
Grasas, aceites e
hidrocarburos
mg/L
Partición gravimétrica con n-hexano
Los valores de los parámetros determinados del efluente
del humedal subsuperficial horizontal a las 4 semanas de
funcionamiento y los porciento de remoción obtenidos se
observan en la Tabla 3. Estos resultados son similares a
los obtenidos por Blanco (2004), Quilice, (2005) e Izquierdo (2013), evidenciando la eficiencia en la remoción de
los contaminantes en el sistema de tratamiento evaluado.
Esto es imputable a los procesos físicos, químicos y biológicos que se efectúan en el ambiente natural, entre estos
procesos se encuentran la sedimentación, la adsorción a
las partículas del medio, la asimilación por las plantas y
la transformación microbiana, que juegan un papel fundamental en estos sistemas de tratamiento.
Tabla 3 Valores medios y desviación estándar de
los parámetros analizados al afluente y efluente a las 4 semanas de funcionamiento.
Parámetros
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Evaluación del comportamiento del humedal subsuperficial horizontal
Los valores de los parámetros determinados al agua residual oleosa afluente se observan en la Tabla 2, observándose que tanto la Demanda Química de Oxígeno como las
grasa, aceites e hidrocarburos se encuentran por encima
del Límite Máximo Permisible Promedio para el cuerpo receptor B (Ríos y embalses) según (NC 27: 2012).
Tabla 2 Valores medios y desviación estándar de
los parámetros analizados al afluente y LMPP.
Parámetros
Unidades
Valores
medios
LMPP NC
27:2012
Potencial de hidrógeno
u de pH
7,6
6 -9
Color verdadero
mg/L. Pt
100
-
Sólidos totales
mg/L
102
-
Demanda química de oxígeno
mg O2 /L
165,11
90
Grasas y aceites e hidrocarburos
mg/L
77
10
Unidades Afluente Efluente
% Remoción
Potencial de hidrógeno
u de pH
7.6
7.3
-
Color verdadero
mg/L
100
20
80
Sólidos totales
mg/L
102
34
67
Demanda química de oxígeno
mg O2/L
165,1
37.2
77,5
Grasas y aceites e
hidrocarburos
mg/L
80
< 10
>87
La Figura 3 muestra el agua residual afluente y efluente
del humedal experimental, observándose la efectividad
del tratamiento en la disminución del color y sólidos totales. La vegetación presente en el humedal juega un papel
fundamental en estos resultados ya que crean buenas
condiciones para la sedimentación de los sólidos suspendidos y el crecimiento de las raíces con agregados
ayuda a descomponer la materia orgánica presente en el
agua residual.
La Figura 2 muestra el comportamiento del humedal en
la remoción del parámetro DQO durante las primeras 4
semanas de funcionamiento, observándose la estabilización de los valores a partir de la segunda semana de
funcionamiento con un 80% de remoción de DQO. En
cuanto a las grasas, aceites e hidrocarburos se obtuvo
una disminución significativa de 77 mg/L a menos de 10
mg/L que es el límite de detección del método analítico
empleado.
Figura 3 Agua residual oleosa afluente (1) y efluente (2) del humedal.
Cinética de remoción de DQO en el humedal
Los valores medios y la desviación estándar de los datos
experimentales obtenidos para el estudio cinético de la remoción de DQO en el humedal se muestran en la Tabla 4.
Se observa una disminución de la concentración de DQO
con el incremento del tiempo de retención del agua residual en el humedal.
Figura 2 Comportamiento de la remoción de DQO
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Tabla 4 Valores medios y desviación estándar de los ensayos realizados.
Tiempo
(horas)
0
0,1
1
3
5
9
24
Desviación
estándar(mg/L)
11,4
10,5
16,1
23,9
23,5
21,5
13,3
C(DQO) promedio (mg/L)
165,1
115,8
93,7
88,9
82,8
81,2
53,2
Se realizó el ajuste de estos datos determinados experimentalmente a los modelos cinéticos:
2. El empleo de un humedal subsuperficial horizontal experimental plantado con Cyperus Alternifolius
mostró elevadas eficiencias de remoción de los contaminantes en las aguas residuales oleosas.
3 .La remoción de la DQO mediante un humedal
subsuperficial horizontal mostró el mejor ajuste al modelo
cinético de saturación o Monod, obteniéndose las constante de dicho modelo.
BIBLIOGRAFÍA
1.
1.Modelo de primer orden: es el modelo más utilizado para estimar la remoción de los contaminantes en
estos sistemas (Reed, 1995); (Kadlec and Knight, 1996).
2.Modelo de orden cero: se reporta principalmente para altas concentraciones de los contaminantes
en el agua residual.
3.Modelo de saturación o Monod: según diferentes autores Mitchell and McNevis (2001) y Saeed and
Sun (2011) puede explicar el comportamiento cinético de
primer orden para bajas concentraciones y de cero orden
para altas concentraciones.
4.Modelo de segundo orden, (Sikdar, 2007).
La ecuación de la recta y el coeficiente de correlación para
dichos modelos se muestran en la Tabla 5, observándose
un mejor ajuste para el modelo de saturación.
Tabla 5 Modelos cinético.
3.
4.
5.
Tabla 5 Modelos cinético.
Modelo cinético
Cero orden
Co  Ce  k * t
DQO
Co  Ce  2,0791 * t  64.533
Primer orden
ln
2.
Co
 k * t
Ce
Segundo orden
1
1

 k *t
Ce Co
Saturación
k
1
1 Ce  Co
 *(
)
Ce
t
K
t (ln ) K
Co
ln
Co
 0,028 * t  0,4998
Ce
R² = 0,8305
6.
R² = 0,9017
1
1

 0,0003 * t  0,0102
Ce Co
R² = 0,9212
1
Ce  Co
 0,0072 * (
)  0,0292
Ce
t
t (ln )
Co
R² = 0,9998
7.
Las constantes obtenidas para la remoción de DQO con
el modelo de saturación o Monod se reportan en la Tabla
6. Estas constantes obtenidas permiten el diseño de humedales subsuperficiales horizontales para la depuración
de aguas oleosas a mayor escala para las condiciones específicas en que fueron obtenidas, siendo de gran utilidad
para el empleo de estos métodos naturales de tratamiento
en las centrales eléctricas existentes en el país.
8.
9.
10.
Tabla 6 Constantes del modelo cinético de saturación
Constante de Saturación (K)
Constante cinética (k)
138,9 mg L-1
4,06 mg L-1 h-1
CONCLUSIONES
1. El sistema de tratamiento de las aguas residuales oleosas de la Central Eléctrica fuel oil Santa Clara
Industrial “Los Alevines”, implementado actualmente, no
logra el cumplimiento de la norma cubana de vertimiento.
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11.
12.
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