NORMA CHUC ALTAMIRANO

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS
“REDUCCIÓN DE LA CARGA ORGÁNICA EN EL AGUA RESIDUAL EN UNA PLANTA INDUSTRIAL
MEDIANTE LA APLICACIÓN DE LA REACCIÓN DE FENTON”
TESIS
Para la obtención del título de
Ingeniero Químico
NORMA NADLLELY CHUC ALTAMIRANO
Asesor Interno:
ING. ÁNGELA CULEBRO TADEO
Asesor Externo:
Q.I. DARVELIA SOFÍA RAMOS PADRÓN
Coatzacoalcos, Ver.
2009
ii
DEDICATORIAS
A Dios.
Dios.
Por la vida, por darme la voluntad necesaria para seguir adelante cada día y
hacerme sentir que nunca estoy sola.
A Mis Padres.
Padres.
Mis más grandes inspiradores, por enseñarme a confiar en que es posible
lograr las cosas si se realizan con el corazón.
A mis Hermanos
Hermanos.
ermanos.
I.Q. Ángel Chuc; QFB. Iván Chuc; I.C. Omar Chuc
Por cuidar de mi, por su respeto y cariño que me han brindado
A mis sobrinos.
sobrinos.
Mis más grandes regalos que la vida me pudo dar, por darme su cariño
incondicional. Por recordarme que la vida tiene más alegrías que tristezas y
que no hay nada en el mundo, que la sonrisa de un niño no pueda curar, aun
en los más grandes dolores.
iii
A Gerardo.
Por todo el amor que siempre me brindas, la paciencia y comprensión que me
demuestras a cada instante, por tu apoyo incondicional, por acompañarme en
todo momento y por confiar en mí.
A mis asesoras.
asesoras.
Ing. Ángela Culebro Tadeo; QI Darvelia Sofía Ramos Padrón
Por su interés y paciencia que me tuvieron al realizar este trabajo, por sus
valiosas sugerencias, acertados comentarios y por compartir sus conocimientos.
A mis amigos.
amigos.
Ing. Jorge A. Ordoñez Valencia; Ing. David I. Campos García.
Por brindarme su apoyo incondicional, por sus consejos, su ayuda, paciencia y
palabras de aliento por ser buenos amigos, compañeros y hermanos.
Nadllely
iv
INDICE
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1
CAPITULO I ANTECEDENTES .................................................................................. 2
1.1 CARGA ORGÁNICA ....................................................................................................................... 3
1.2 CAUSAS DE LA CARGA ORGÁNICA ........................................................................................... 5
1.3 NORMAS AMBIENTALES.............................................................................................................. 9
CAPITULO II TIPOS DE TRATAMIENTOS DE AGUAS .......................................... 12
2.1 DEFINICIÓN .................................................................................................................................. 13
2.2 PRE-TRATAMIENTO.................................................................................................................... 18
2.2.1 DESBASTE............................................................................................................................................. 18
2.2.2 HOMOGENEIZACIÓN ............................................................................................................................ 18
2.2.3 NEUTRALIZACIÓN................................................................................................................................. 19
2.2.4 CRIBADO ............................................................................................................................................... 19
2.2.5 TAMIZADO ............................................................................................................................................. 19
2.2.6 DESARENADO ....................................................................................................................................... 19
2.2.7 DESENGRASADO.................................................................................................................................. 20
2.2.8 PREAIREACIÓN ..................................................................................................................................... 21
2.3 DEFINICION DE TRATAMIENTO PRIMARIO .............................................................................. 22
2.4 OPERACIONES UNITARIAS EMPLEADAS EN EL TRATAMIENTO PRIMARIO ...................... 23
2.4.1 PRECIPITACIÓN .................................................................................................................................... 24
2.4.2 COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN ........................................................................................................... 24
2.4.3 DECANTACIÓN ...................................................................................................................................... 25
2.4.4 FLOTACIÓN CON AIRE ......................................................................................................................... 26
2.4.5 NEUTRALIZACIÓN................................................................................................................................. 27
2.5 REACCIÓN DE FENTON .............................................................................................................. 28
CAPITULO III DESARROLLO EXPERIMENTAL ..................................................... 32
3.1 ESTRATEGIA DE TRABAJO ....................................................................................................... 33
3.2 MATERIAL Y METODO ................................................................................................................ 34
3.2.1 CARACTERIZACIÓN DEL AGUA........................................................................................................... 34
3.3 REACTIVOS EMPLEADOS EN LA METODOLOGÍA ANALÍTICA .............................................. 35
3.4 ANÁLISIS DE LA REACCIÓN DE FENTON................................................................................. 35
3.4.1 MONTAJE.............................................................................................................................................. 36
3.5 MONITOREO DE LA REACCIÓN ................................................................................................. 36
3.6 ANÁLISIS DE MUESTRA ............................................................................................................. 38
v
3.7 DESMONTAJE Y LAVADO DEL EQUIPO ................................................................................... 39
CAPITULO IV ANÁLISIS DE RESULTADOS .......................................................... 40
4.1 INTERPRETACIÓN DEL PRIMER ANÁLISIS DE RESULTADOS .............................................. 41
4.1.1 INTERPRETACIÓN GRÁFICA DEL PRIMER ANÁLISIS ....................................................................... 42
4.2 INTERPRETACIÓN DEL SEGUNDO ANÁLISIS DE RESULTADOS .......................................... 47
4.2.1 INTERPRETACIÓN GRÁFICAS DEL SEGUNDO ANALISIS ................................................................. 48
4.3 INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS DEL TERCER ANÁLISIS ............................................. 53
4.3.1 INTERPRETACIÓN GRÁFICAS DEL TERCER ANALISIS .................................................................... 54
CONCLUSIONES ..................................................................................................... 59
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 61
ANEXO ..................................................................................................................... 63
1
INTRODUCCIÓN
La reacción de Fenton consiste en la mezcla de agua oxigenada con sulfato
ferroso a presión atmosférica y temperatura de entre 40 y 50°C.
Esta reacción ayuda en la degradación de los contaminantes orgánicos
mediante oxidación química y por lo tanto a bajar las concentraciones de DQO y
DBO5 presentes en el agua residual.
La eficiencia en la reacción de Fenton es medida a través de los análisis de
DBO5 y DQO.
En el lugar de estudio se generan caudales variables provenientes de las 3
líneas de producto
fabricado; las diferencias radican
en propiedades físicas y
químicas, que debido a la variación resultante puede producir un deterioro de la
eficiencia respecto al valor óptimo que puede conseguirse. Luego entonces la
reacción de Fenton, será utilizada para reducir los problemas operacionales
realizando análisis a las aguas residuales provenientes del área de procesos, para
observar su caracterización y así emplear una alternativa en el tratamiento primario y
poder disminuir valores de los contaminantes orgánicos de las aguas, para tener un
mejor rendimiento en el tratamiento secundario de este mismo.
En el presente trabajo podemos encontrar en el capítulo I los antecedentes,
causa de la carga orgánica y las normas oficiales mexicanas.
En el capítulo II se explica los tipos de tratamientos que se pueden aplicar a
los tratamientos de aguas residuales.
Y por último en los capítulos III y IV se explica la interpretación de análisis y la
interpretación gráfica de los resultados.
2
CAPITULO I
ANTECEDENTES
3
1.1 CARGA ORGÁNICA
Una enorme cantidad de agua está presente en la tierra. El importe total es de
aproximadamente 1,4 billones de m3. Alrededor de 96,5% que es agua de mar y
agua dulce ocupa alrededor del 2,5%. Alrededor de dos tercios de los icebergs es de
agua dulce y glaciares. Agua dulce disponible para nuestra vida diaria, industrias y
demás es sólo el 0,8% del importe total de agua, tales como aguas subterráneas, el
agua de los ríos y el agua de los lagos.
La contaminación es la impregnación del agua, de freáticos, ríos, lagos, etc.,
con productos que afectan a la salud del hombre, la calidad de vida o el
funcionamiento natural de los ecosistemas. La contaminación del agua se puede
deber por materias extrañas, como microorganismos, productos químicos, residuos
industriales y de otros tipos, o aguas residuales. Estas sustancias deterioran la
calidad del agua y la hacen inútil para los usos pretendidos.
Se conoce como carga a la cantidad de materia degradable que entra en una
instalación depuradora por unidad de tiempo y volumen.
La carga orgánica es el flujo másico de materia orgánica por unidad de
volumen del filtro. Entre mayor sea la carga orgánica, mayor será la relación
alimento: microorganismos, y más rápido crecerán las bacterias del sistema, y como
consecuencia con altas cargas orgánicas, se tendrá una menor concentración de
sustrato en el efluente, si la aireación, composición de sustrato u otro factor, no se
convierten en limitantes. La carga orgánica se expresa como la tasa a la que se
suministra al sistema la demanda de oxígeno (kg DQO/m3d o kg DBO5/m3d).
Aguas residuales y otros residuos que demandan oxígeno (en su mayor parte
materia orgánica, cuya descomposición produce la desoxigenación del agua). [4]
4
De los principales contaminantes del agua se pueden considerar los
siguientes:
Agentes infecciosos: Nutrientes vegetales que pueden estimular el
crecimiento de las plantas acuáticas. Éstas, a su vez, interfieren con los usos a los
que se destina el agua y, al descomponerse, agotan el oxígeno disuelto y producen
olores desagradables. Productos químicos, incluyendo los pesticidas, diversos
productos industriales, las sustancias tensoactivas contenidas en los detergentes, y
los productos de la descomposición de otros compuestos orgánicos. Petróleo,
especialmente el procedente de los vertidos accidentales. Minerales inorgánicos y
compuestos químicos.
Sedimentos: formados por partículas del suelo y minerales arrastrados por
las tormentas y escorrentías desde las tierras de cultivo, los suelos sin protección, las
explotaciones mineras, las carreteras y los derribos urbanos. Sustancias radiactivas
procedentes de los residuos producidos por la minería y el refinado del uranio y el
torio, las centrales nucleares y el uso industrial, médico y científico de materiales
radiactivos.
Calor: También puede ser considerado un contaminante cuando el vertido del
agua empleada para la refrigeración de las fábricas y las centrales energéticas hace
subir la temperatura del agua de la que se abastecen.
Las aguas residuales son materiales derivados de residuos domésticos o de
procesos industriales, los cuales por razones de salud pública y por consideraciones
de recreación económica y estética, no pueden desecharse vertiéndolas sin
tratamiento en lagos o corrientes convencionales. Los materiales inorgánicos como la
arcilla, sedimentos y otros residuos se pueden eliminar por métodos mecánicos y
químicos; sin embargo, si el material que debe ser eliminado es de naturaleza
orgánica, el tratamiento implica usualmente actividades de microorganismos que
oxidan y convierten la materia orgánica en CO2, es por esto que los tratamientos de
5
las aguas de desecho son procesos en los cuales los microorganismos juegan
papeles cruciales.
Las aguas que contienen los residuos de la actividad humana pueden
clasificarse según la composición y origen de sus contaminantes. Las aguas
residuales de origen doméstico, denominadas aguas servidas, negras o municipales,
son ricas en materia orgánica biodegradable, mientras que las aguas que contienen
contaminantes inorgánicos o materia orgánica no biodegradable son más bien de
origen industrial. Sin embargo, las agua residuales que provienen de la industria:
alimentaria,
pesquera,
cervecera,
papelera,
celulósica
y
otras,
contienen
contaminantes biodegradables.
El tratamiento de las aguas residuales que contienen materia orgánica
biodegradable se realiza mediante un proceso biológico. En éste la materia orgánica
contaminante se emplea como alimento de microorganismos especialmente
cultivados para descomponer esta materia, de manera que los contaminantes se
transforman en otros productos que pueden ser separados más fácilmente del agua.
Las aguas que contienen contaminantes no biodegradables se tratan mediante una
serie de procesos físicos y químicos. Estos tipos de tratamientos se explicaran más
adelante.[2]
1.2 CAUSAS DE LA CARGA ORGÁNICA
La gran variedad de procesos industriales genera un amplio abanico de
efluentes, que requiere en cada caso una investigación individual y frecuentemente
un proceso de tratamiento específico. Además es necesario conocer el sistema de
producción de la industria en concreto y los sistemas de organización de los
procesos involucrados.
Los compuestos orgánicos pueden cambiar las propiedades organolépticas e
incluso ser tóxicos. Pueden provenir principalmente de las actividades industriales.
6
Un agua contaminada puede tener una gran variedad de compuestos orgánicos que
hacen que su análisis sea muy complicado.
Se considera que el agua está contaminada cuando su composición o estado
natural se han modificado, de tal modo que el agua pierde sus condiciones aptas
para los usos a los que estaba destinada. Puede presentar alteraciones de sus
propiedades físicas: temperatura, color, etc., y químicas. El 72% de las aguas
superficiales del mundo están contaminadas por vertidos urbanos e industriales.
Los compuestos orgánicos e inorgánicos se encuentran en aguas residuales
procedentes de instalaciones industriales diversas. A diferencia de las aguas
residuales domésticas, los efluentes industriales contienen con frecuencia sustancias
que no se eliminan por un tratamiento convencional, bien por estar en
concentraciones elevadas, o bien por su naturaleza química. Muchos de los
compuestos orgánicos e inorgánicos que se han identificado en aguas residuales
industriales son objeto de regulación especial debido a su toxicidad o a sus efectos
biológicos a largo plazo.
Los tratamientos a los que se deben someter los efluentes tienen que
garantizar la eliminación o recuperación del compuesto orgánico en el grado
requerido por la legislación que regula el vertido del efluente o para garantizar las
condiciones mínimas del proceso en el caso de reutilización o recirculación de la
corriente para uso interno.
El nivel máximo admisible de contaminante puede conseguirse mediante la
utilización de diversas técnicas tanto destructivas como no destructivas.
Las características de las aguas residuales industriales pueden diferir mucho
tanto dentro como entre las empresas. El impacto de los vertidos industriales
depende no sólo de sus características comunes, como la demanda bioquímica de
oxígeno, sino también de su contenido en sustancias orgánicas e inorgánicas
7
específicas. Hay tres opciones (que no son mutuamente excluyentes) para controlar
los vertidos industriales. El control puede tener lugar allí donde se generan dentro de
la planta; las aguas pueden tratarse previamente y descargarse en el sistema de
depuración urbana; o pueden depurarse por completo en la planta y ser reutilizadas o
vertidas sin más en corrientes o masas de agua.
Los vertidos que llegan directamente al mar contienen sustancias tóxicas que
los organismos marinos absorben de forma inmediata. Además forman importantes
depósitos en los ríos que suponen a su vez un desarrollo enorme de nuevos
elementos contaminantes y un crecimiento excesivo de organismos indeseables.
Estos depósitos proceden de las estaciones depuradoras, de los residuos de
dragados (especialmente en los puertos y estuarios), de las graveras, de los áridos,
así como de una gran variedad de sustancias tóxicas orgánicas y químicas, vertidos
de petróleo (mareas negras).
Los
contaminantes orgánicos pueden ser biorefractarios por lo cual un
tratamiento biológico no es recomendable para su uso, se necesita métodos
químicos y físicos para su tratamiento. Pueden ser sustancias poco agradables
como; benceno, cloroformo y diclorobenceno. Ya que si se encuentran en agua
pueden producir mal sabor y olor en ella.
Hay cuatro tipos de efluentes industriales a considerar:
• Efluentes de los procesos generales de fabricación. La mayoría de
procesos aumentan la contaminación de los efluentes por el contacto que
tienen con gases, líquidos o sólidos. Los efluentes pueden ser continuos o
intermitentes. Algunos sólo se producen algunos meses al año (campañas en
la industria agroalimentaria). Generalmente la
produciendo
flujos
de
contaminantes
conocidos.
reducción es regular,
Sin
embargo
para
determinados sectores (química sintética, farmacéutica, etc.) es muy
dificultoso analizar los efluentes ya que cambian constantemente.
8
• Efluentes específicos. Algunos efluentes son separados de corrientes
específicas del proceso tal es el caso:
a) Baños de electroplatinado, sosa cáustica gastada, licores de amonio de
plantas de carbón.
b) Condensados de la producción de papel, líquidos madres de la industria
alimentaria.
c) Efluentes tóxicos y concentrados.
• Efluentes procedentes de servicios generales.
• Efluentes intermitentes. No deben olvidarse y pueden provenir de vertidos
accidentales de productos, durante su manejo o almacenamiento.
Los aceites y grasas incluyen gran número de sustancias que tienen,
generalmente, como principal característica común la insolubilidad en agua, pero son
solubles en ciertos solventes como cloroformo, alcoholes y benceno. Pueden estar
presentes también bajo la forma de aceites minerales derivados de petróleo, debido
a contribuciones no permitidas (de estaciones de servicio, por ejemplo), y son
altamente indeseables, porque se adhieren a las tuberías, provocando su
obstrucción.
Las grasas no son deseables, ya que provocan mal olor, forman espuma,
inhiben la vida de los microorganismos, provocan problemas de mantenimiento, etc.
9
1.3 NORMAS AMBIENTALES
Las normas ambientales, permiten a las autoridades establecer límites
máximos permisibles de emisión de contaminantes a diferentes medios, y
condiciones para su verificación, desempeñan un papel fundamental en la
generación de una atmósfera de certidumbre jurídica y la importancia de promover el
cambio tecnológico.
Inicialmente surgieron las Normas Técnicas Ecológicas (NET) a raíz de la
publicación de la ley general del equilibrio ecológico y la protección al ambiente. A
partir de 1992, bajo los lineamientos de la ley federal metrología y normalización, la
elaboración y aprobación de normas oficiales constituyen un complejo mecanismo
que garantiza un elevado nivel técnico, una amplia participación social en las
diferentes fases de su desarrollo y un minucioso análisis de sus efectos económicos.
Muchas de las NET se han convertidos en Normas Oficiales Mexicanas
(NOM). A pesar de que hay un extenso número de normas que mencionan diversos
aspectos relacionados con límites permisibles y contaminación de aguas residuales,
es necesario que las normas existentes, continúen desarrollándose, para llenar
vacios que persisten bajo la perspectiva de incluir
aspectos ambientales de
operación, de las empresas que pueden ser objeto de regulación con criterios de
costo/efectiva. Para superar las limitaciones y vacíos existentes es necesario revisar
el marco normativo actual en varios sentidos, tanto para darle un mayor alcance
como para corregir aspectos tecnológicos implícitos, con la finalidad de lograr una
reglamentación más eficiente de protección ambiental.
10
NORMAS OFICIALES MEXICANAS
NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-001-ECOL-1996, QUE ESTABLECE LOS
LIMITES MAXIMOS PERMISIBLES DE CONTAMINANTES EN LAS DESCARGAS
DE AGUAS RESIDUALES EN AGUAS Y BIENES NACIONALES.
NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-003-ECOL-1997, QUE ESTABLECE LOS
LIMITES MAXIMOS PERMISIBLES DE CONTAMINANTES PARA LAS AGUAS
RESIDUALES TRATADAS QUE SE REHUSEN EN SERVICIOS AL PUBLICO.
Norma oficial mexicana NOM-001-ECOL-1996, que establece los límites
máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales
en aguas y bienes nacionales.
OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN
Esta Norma Oficial Mexicana establece los límites máximos permisibles de
contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales,
con el objeto de proteger su calidad y posibilitar sus usos, y es de observancia
obligatoria para los responsables de dichas descargas. Esta Norma Oficial Mexicana
no se aplica a las descargas de aguas provenientes de drenajes separados de aguas
pluviales. [9]
Norma oficial mexicana NOM-003-ECOL-1997, que establece los límites
máximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que
se rehúsen en servicios al público.
OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN
Esta Norma Oficial Mexicana establece los límites máximos permisibles de
contaminantes para las aguas residuales tratadas que se rehúsen en servicios al
público, con el objeto de proteger el medio ambiente y la salud de la población, y es
de observancia obligatoria para las entidades públicas responsables de su
tratamiento y rehúso. En el caso de que el servicio al público se realice por terceros,
éstos serán responsables del cumplimiento de la presente Norma, desde la
11
producción del agua tratada hasta su rehúso o entrega, incluyendo la conducción o
transporte de la misma.
Las normas deben tomar en consideración las tecnologías de proceso, control
y medición disponible y el costo de las mismas, pero bajo ninguna circunstancia es
permisible que favorezcan tecnologías particulares ni que se constituyan en un
obstáculo para la adopción de tecnologías que pudieran surgir. [10]
12
CAPITULO II
TIPOS DE TRATAMIENTOS DE AGUAS
13
2.1 DEFINICIÓN
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.
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.
Cualquiera que sea su procedencia, las aguas residuales plantean una
amenaza para el medio ambiente, ya que modifican las características iniciales del
medio natural donde se produce su descarga. La importancia de esta amenaza
depende de sus propiedades, es decir, su composición y cantidad. Por tanto, antes
de escoger un método de tratamiento, el primer paso consiste en averiguar lo más
exactamente posible todas las características del agua residual a tratar.
La composición de las aguas residuales se analiza con diversas mediciones
físicas, químicas y biológicas. Las mediciones más comunes incluyen la
determinación del contenido en sólidos, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5),
la demanda química de oxígeno (DQO) y el pH.
Los residuos sólidos comprenden los sólidos disueltos y en suspensión. Los
sólidos disueltos son productos capaces de atravesar un papel filtro, y los
suspendidos los que no pueden hacerlo. Los sólidos en suspensión se dividen a su
vez en depositables y no depositables, dependiendo del número de miligramos de
sólidos que se depositan a partir de 1 litro de agua residual en una hora. Todos
14
estos sólidos pueden dividirse en volátiles y fijos, siendo los volátiles, por lo general,
productos orgánicos y los fijos materia inorgánica o mineral.
La concentración de materia orgánica se mide con los análisis DBO5 y DQO.
La DBO5 es la cantidad de oxígeno empleado por los microorganismos a lo largo de
un periodo de cinco días para descomponer la materia orgánica de las aguas
residuales a una temperatura de 20°C. De modo simil ar, la DQO es la cantidad de
oxígeno necesario para oxidar la materia orgánica por medio de dicromato en una
solución ácida y convertirla en dióxido de carbono y agua. El valor de la DQO es
siempre superior al de la DBO5 porque muchas sustancias orgánicas pueden
oxidarse químicamente, pero no biológicamente. La DBO5 suele emplearse para
comprobar la carga orgánica de las aguas residuales municipales e industriales
biodegradables, sin tratar y
tratadas. La DQO se usa para comprobar la carga
orgánica de aguas residuales que, o no son biodegradables o contienen compuestos
que inhiben la actividad de los microorganismos. El pH mide la acidez de una
muestra de aguas residuales. [2]
Así, de acuerdo con su origen, las aguas residuales pueden ser clasificadas
como:
• Domésticas: son aquellas utilizadas con fines higiénicos (baños,
cocinas, lavanderías, etc.). Consisten básicamente en residuos
humanos que llegan a las redes de alcantarillado por medio de
descargas de instalaciones hidráulicas de la edificación también en
residuos originados en establecimientos comerciales, públicos y
similares.
• Industriales: son líquidos generados en los procesos industriales.
Poseen características específicas, dependiendo del tipo de industria.
15
• Infiltración y caudal adicionales: las aguas de infiltración penetran en
el sistema de alcantarillado a través de los empalmes de las tuberías,
paredes de las tuberías defectuosas, tuberías de inspección y limpieza,
etc. Hay también aguas pluviales, que son descargadas por medio de
varias fuentes, como canales, drenajes y colectores de aguas de
lluvias.
•
Pluviales: son agua de lluvia, que descargan grandes cantidades de
agua sobre el suelo. Parte de esta agua es drenada y otra escurre por
la superficie, arrastrando arena, tierra, hojas y otros residuos que
pueden estar sobre el suelo.
Aunque el agua residual de origen industrial debe separarse de la de origen
urbano y tratarse en otras instalaciones, en ocasiones se produce su mezcla en el
alcantarillado y acaba incorporándose a la alimentación de la planta de tratamiento
por lagunaje. Esto ocurre especialmente con industrias de pequeño tamaño, situadas
en el casco urbano.
En ingeniería ambiental el término tratamiento de aguas es el conjunto de
operaciones unitarias de tipo físico, químico o biológico cuya finalidad es la
eliminación o reducción de la contaminación o las características no deseables de las
aguas, pueden ser naturales, de abastecimiento, de proceso o residuales llamadas
en el caso de las urbanas, aguas negras.
Los tratamientos de aguas industriales son muy variados, según el tipo de
contaminación, y pueden incluir:
•
Precipitación
• Neutralización
• Oxidación química y biológica
16
• Reducción
• Filtración
• ósmosis
En el caso de agua urbana, los tratamientos suelen incluir la siguiente
secuencia:
Pre-tratamiento
Tratamiento primario
Tratamiento secundario
Tratamiento terciario
Pre-tratamiento: Busca acondicionar el agua residual para facilitar los
tratamientos propiamente dichos, y preservar la instalación de erosiones y
taponamientos. Incluye equipos tales como rejas, tamices, desarenadores y
desengrasadores.
Tratamiento primario o tratamiento físico-químico: busca reducir la materia
suspendida por medio de la precipitación o sedimentación, con o sin reactivos, o por
medio de diversos tipos de oxidación química, poco utilizada en la práctica, salvo
aplicaciones especiales, por su alto coste.
Tratamiento secundario o tratamiento biológico: se emplea de forma
masiva para eliminar la contaminación orgánica disuelta, la cual es costosa de
eliminar por tratamientos físico-químicos. Suele aplicarse tras los anteriores.
Consisten en la oxidación aerobia de la materia orgánica, en sus diversas variantes
de fangos activados, lechos de partículas, lagunas de oxidación y otros sistemas, o
su eliminación anaerobia en digestores cerrados. Ambos sistemas producen fangos
en mayor o menor medida que, a su vez, deben ser tratados para su reducción,
acondicionamiento y destino final.
17
Tratamiento terciario, de carácter físico-químico o biológico: desde el
punto de vista conceptual no aplica técnicas diferentes que los tratamientos primarios
o secundarios, sino que utiliza técnicas de ambos tipos destinadas a pulir o afinar el
vertido final, mejorando alguna de sus características. Si se emplea intensivamente
pueden lograr hacer el agua de nuevo apta para el abastecimiento de necesidades
agrícolas, industriales, e incluso para potabilización (reciclaje de efluentes).
En la siguiente figura se representa en pequeño resumen del procedimiento de
los tipos de tratamientos.
.
En el figura 2.1 Diagrama general de tratamiento [1]
18
2.2 PRE-TRATAMIENTO
El primer paso para la depuración de las aguas residuales es la eliminación de
cuerpos sólidos o materias grasas para evitar su interferencia en los procesos que se
utilizan en las etapas posteriores.
Es muy empleado en la industria, y se utilizan para eliminar los posibles
elementos que pueden afectar al sistema de depuración posterior como sólidos
gruesos, arenas, fibras, etc. En la industria, estos pre-tratamientos incluyen el
desengrasado y
la neutralización, siendo muchas veces suficiente este
tratamiento para poder ser asimilado aun vertido urbano.
En la figura 2.2 se muestra los tipos de tratamientos que generalmente se
realizan en una planta, desde su pre-tratamiento, tratamiento primario, secundario y
terciario.
El pre-tratamiento consta de los siguientes procesos físicos que se aplican
según la naturaleza del agua residual.
2.2.1 DESBASTE
Se realiza normalmente mediante sistemas de rejas o tamices, en vertidos
industriales que tienen sólidos de tamaño variable en suspensión, como fábricas de
conservas, fábricas de papel, mataderos, etc. Es un método económico y efectivo
que muchas veces elimina una porción considerable de la DBO.
2.2.2 HOMOGENEIZACIÓN
Se utiliza para conseguir que todas las fluctuaciones del influente se unifiquen,
evitando descargas puntuales que pudieran afectar a los tratamientos posteriores. Si
los picos de temperatura, caudal, carga y sobre todo pH se compensan, se hace
posible
que
los
tratamientos
posteriores
tengan
carácter
continuo.
La
19
homogeneización se realiza en un depósito tampón que debe dimensionarse de
acuerdo al vertido de cada industria, y tendrá un sistema de agitación para facilitar la
homogeneización y evitar la sedimentación de los sólidos.
2.2.3 NEUTRALIZACIÓN
Es necesaria para conseguir que el pH del influente sea adecuado para
verterlo al cauce o bien para los tratamientos posteriores. Los neutralizantes más
empleados son la lechada de cal, y la sosa, cuando hemos de alcalinizar un
vertido, y ácidos sulfúrico o clorhídrico si es necesario la acidificación del mismo.
2.2.4 CRIBADO
Se aplica cuando el agua residual arrastra materias excesivamente gruesas.
Se realiza por medio de rejillas o mallas; éstas pueden ser gruesas, con una
separación libre entre barras de 5-15 cm que se disponen al comienzo del cribado y
finas, con una separación de 1.5-5 cm, que retienen la mayor parte de las materias
que no pueden eliminarse por sedimentación.
2.2.5 TAMIZADO
Separa los residuos sólidos cuyo volumen es superior a una separación de 1
mm entre las barras del tamiz. Se emplean tamices estáticos o rotatorios que sean
autolimpiables.
2.2.6 DESARENADO
Elimina la arena y partículas minerales más o menos finas con el fin de evitar
que se produzcan sedimentos en los canales del pre-tratamiento, los que deterioran
los equipos. Los desengrasadores longitudinales, de fácil construcción y utilizados
para aguas residuales industriales, consisten en un canal de poca profundidad cuya
velocidad de flujo horizontal es del orden de 0.3 m/seg, velocidad que arrastra la
20
mayoría de las partículas orgánicas a través del estanque, y permite sedimentar la
arena, que es más pesada. [2, 4]
Figura No. 2.2 Diagrama de un sistema biológico [5]
2.2.7 DESENGRASADO
Separa los aceites, grasas y sustancias menos densas que el agua. Se
realiza por flotación de dichas materias por medio de aire disuelto. Suele realizarse
conjuntamente con el desarenado la flotación con aire disuelto, consiste en la
inyección de aire a presión, el cual por posterior expansión produce microburbujas
21
sobre las cuales se adhiere el material graso, formándose un agregado partícula
grasa-microburbuja que siendo menos denso, asciende a la superficie.
2.2.8 PREAIREACIÓN
Sus objetivos son varios:
•
Mejorar la tratabilidad del agua, en cuanto que esta llega séptica,
contaminada, a la depuración.
•
Control de olores.
•
Mejorar la separación de las grasas.
•
Favorecer la floculación de sólidos.
•
Mantener el oxígeno en la decantación aun a bajos caudales.
•
Incrementar la eliminación de DBO5.
•
Evitar los depósitos en las cámaras húmedas.
La pre-aireación se utiliza en:
•
Cabecera de instalación
•
En los desarenadores, incrementando el tiempo de retención y la capacidad
de aireación.
•
En los canales de distribución a los decantadores primarios. Los principales
parámetros de diseño son:
•
El tiempo de retención varía según el objetivo que se pretenda:
22
•
La disminución de los olores y la prevención de la septicidad implican un
tiempo mínimo de 10-15 minutos.
•
La floculación efectiva de los sólidos necesita, aparte de la adición de ciertos
productos químicos, un tiempo de retención de 30 minutos.
•
Para la reducción de DBO será de 45 minutos.
Los caudales de Aire necesarios para los distintos objetivos son difícilmente
calculables, y se basan tanto en la calidad del A.R. como en las características
físicas del tanque y en la sección transversal del mismo. El factor predominante es la
necesidad de mantener la adecuada turbulencia en el tanque para que su contenido
se mantenga en suspensión y no se produzcan sedimentaciones. Esto se consigue
suministrando una cantidad de aire mínima entre 2-6 l/s/m del tanque teóricamente.
En la práctica se deben suministrar 0,8 m3 aire/m3 de agua residual.
2.3 DEFINICION DE TRATAMIENTO PRIMARIO
Las aguas residuales urbanas de origen doméstico presentan impurezas
orgánicas y otras cuyas naturaleza y concentración son bastantes similares a de una
ciudad a otra, por lo que el tipo de tratamiento es análogo. Sin embargo, los residuos
industriales líquidos (RIL) son muy diversos y su naturaleza depende del tipo de
industria que los emite, por lo que es necesario realizar previamente estudios de
tratabilidad de estos RIL para conocer el procedimiento de eliminación de los
contaminantes y entregar un vertido con un valor permitido de carga orgánica e
inorgánica a los recursos receptores de agua. Estos estudios consisten en
determinar a nivel de laboratorio, el proceso y las condiciones más adecuadas para
tratar un RIL , el que normalmente se ensaya poniendo muestras de éste con
reactivos en vasa de precipitado, que se agitan a una velocidad común durante un
23
tiempo determinado. Las variables que se estudian en estos análisis son: entre otras,
la separación de los sólidos suspendidos reducción de DQO, reducción de DBO.
En el tratamiento primario se utilizan operaciones físicas tales como, desbaste,
sedimentación, lagunas de separación y lagunas de homogenización de caudales.
Como la concentración de materia orgánica en las aguas de desecho puede
ser muy alta, la mayor parte de las grandes industrias se la eliminan mediante el
cultivo de bacterias (aerobias y anaerobias) en grandes estanques llamados
facultativos. Sin embargo, existe materia orgánica que no se comen las bacterias y
se le llama material refractario, el cual es eliminado mediante carbón activado que
tiene la propiedad de adsorber muchos de los materiales refractarios a los sistemas
biológicos. Para eliminar contaminantes orgánicos y algunos sólidos en suspensión
se usa carbón activado porque es muy poroso y tiene una gran superficie de contacto
a la cual se adhieren y son eliminados. Algunos sistemas de digestión biológica
utilizan el carbón activado en polvo para concentrar la fuente de alimento de las
bacterias para que conviertan de manera más eficiente a la materia orgánica en
biomasa o hasta en bióxido de carbono.
2.4 OPERACIONES UNITARIAS EMPLEADAS EN EL
TRATAMIENTO PRIMARIO
Las aguas residuales que entran en una depuradora contienen
materiales que podrían atascar o dañar las bombas y la maquinaria. Estos materiales
se eliminan por medio de enrejados o barras verticales, y se queman o se entierran
tras ser recogidos manual o mecánicamente. El agua residual pasa a continuación a
través de una trituradora, donde las hojas y otros materiales orgánicos son triturados
para facilitar su posterior procesamiento y eliminación.
24
Los métodos de tratamiento en los que predomina la aplicación de las fuerzas
físicas son conocidos como operaciones unitarias; aquellos en que la eliminación de
los contaminantes se consigue mediante reacciones químicas o biológicas se
conocen como procesos unitarios.
Se entienden como el proceso o conjunto de procesos que tienen como misión
la separación por medios físicos de partículas en procesos como:
2.4.1 PRECIPITACIÓN
Consiste en la formación de compuestos insolubles de los elementos que
queremos eliminar, mediante la adición de reactivos apropiados. Se emplea
principalmente en la eliminación de metales pesados, muy presentes en la industria
de tratamiento de superficies. Estos metales tienen la propiedad común que a un pH
determinado (8.5-9.5), forman los hidróxidos correspondientes con una baja
solubilidad. También sirve para algunos aniones como fluoruros y fosfatos que
mediante la adición de reactivos como cal forma sales cálcicas insolubles.
2.4.2 COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN
Mediante este tratamiento se persigue mejorar la eliminación de los sólidos en
suspensión que se consigue con los pre-tratamientos, sobre todo de las partículas
coloidales. El primer paso consiste en desestabilizar las partículas coloidales
mediante la adición de reactivos químicos que reciben el nombre de coagulantes.
Una vez han sido desestabilizadas, ya pueden unirse o agregarse, viéndose este
proceso favorecido por los compuestos denominados floculantes, que dan lugar a
flóculos de mayor tamaño y densidad que precipitan con mayor rapidez. Los
procesos de coagulación-floculación están regidos sobre todo por el pH, tiempo de
contacto, tipo de partícula, etc., por lo que normalmente se realizan ensayos previos
para saber la dosis adecuada mediante el ensayo de Jar- Test.
25
2.4.3 DECANTACIÓN
La decantación es la separación por la acción de la gravedad, de sólidos en
suspensión cuyas partículas son más pesadas que el agua. Como se muestra en la
figura 2.3 la formas de decantar en un tratamiento.
Es una de las operaciones más empleadas en el tratamiento de aguas
residuales. Se emplea para la eliminación de arenas. Flóculos formados en procesos
de coagulación-floculación u originados en procesos biológicos. Se emplean equipos
estáticos, en los cuales la decantación se realiza sin recirculación de lodos o
decantadores dinámicos en los cuales existe recirculación de lodos preformados.
Consiste en la eliminación de los sólidos en suspensión por diferencia de densidad,
de forma que las partículas más pesadas que el agua son separadas por acción de la
gravedad. Los decantadores empleados pueden ser: simples, estáticos o dinámicos y
dentro
de
estos
pueden
presentar
distintas
configuraciones
(circulares,
rectangulares). Además es posible que contemplen sistemas de recirculación de
fangos tanto externa como interna.
26
Fig. 2.3 sistema de decantación
2.4.4 FLOTACIÓN CON AIRE
Esta operación se utiliza cuando se trata de eliminar sólidos en suspensión
con una densidad próxima a la del agua o eliminar aceites y grasa. Este tratamiento
consiste en formar burbujas en el agua residual sobre las cuales se fijan las
partículas haciéndolas flotar a la superficie, desde la cual se retiran. La principal
ventaja de la flotación respecto de la decantación es que la flotación requiere menos
tiempo y permite una mayor carga de sólidos en el agua residual.
La principal operación de este tratamiento es la flotación con aire disuelto. Se
realiza sometiendo el líquido a depurar a una presión de 3 a 4 kg/cm2 con aire hasta
lograr una saturación; luego, el agua saturada con aire a esa presión se envía a un
27
estanque o columna donde se realiza la flotación, formándose en la mesa líquida una
gran cantidad de micro-burbujas que se fijan sobre las partículas a eliminar,
permitiendo que leviten a la superficie.
2.4.5 NEUTRALIZACIÓN
En ocasiones los RIL requieren ajustar su pH antes de su vertimiento para
cumplir con la normatividad o previo a un tratamiento biológico. En estos casos, los
reactivos más utilizados son: la sosa cáustica, la cal, la caliza y el ácido sulfúrico
como reguladores de pH.
La rápida reacción de la sosa cáustica y su gran solubilidad en agua son los
factores que deciden su utilización, pese a su mayor costo. La reacción de la cal con
las sustancias ácidas puede producir productos insolubles que precipitan como:
sulfatos, fluoruros o fosfato de calcio, lo cual obliga a una decantación posterior. La
caliza se utiliza fundamentalmente en forma de lecho, con un espesor superior a 1m,
haciendo pasar la corriente de agua a neutralizar en forma ascendente. El ácido
sulfúrico es el más utilizado para neutralizar RIL alcalinos. [2,4,11,12,13]
Dado que el pH tiene una variación logarítmica, es preciso ajustarlo en varias
etapas, si los valores son muy altos o muy bajos y así evitar errores.
28
2.5 REACCIÓN DE FENTON
Los efluentes de diversas industrias contienen compuestos no aptos para su
descarga al medio ambiente, que, en muchos casos son refractarios al tratamiento
biológico. Por lo tanto, el tratamiento químico resulta una alternativa eficaz, que
además puede resultar eficiente cuando se combina con el concepto de
intensificación del proceso. Se presenta una importante innovación en este campo,
que permite superar las barreras operativas usualmente asociadas con el empleo del
reactivo de Fenton, verificándose, mediante la intensificación, un incremento de
varios órdenes de magnitud en la velocidad de degradación de contaminantes
orgánicos presentes en diversos efluentes industriales. Como ejemplos del potencial
de la tecnología desarrollada, se reportan resultados obtenidos con efluentes de una
refinería (fenoles y sulfuros), avances con efluentes de industrias petroquímicas
(cresoles y compuestos aromáticos nitrados) y se adelanta la ingeniería conceptual
de un proceso combinado de extracción selectiva y destrucción catalítica de
compuestos organoclorados (PCBs) presentes en aceites de transformadores.
Las industrias petroquímicas y farmacéuticas pueden tener desechos con
compuestos como: fenoles, nitrobencenos, cianuros, bencenos, sulfuros, alcoholes,
aminas, éteres y derivados aromáticos halogenados en distintas concentraciones y
combinaciones, que son extremadamente tóxicos y peligrosos tanto para su
descarga al medio ambiente como para su almacenamiento. En la gran mayoría de
los casos estos efluentes son refractarios al tratamiento biológico, por lo que la
biodegradación directa del efluente no constituye una verdadera alternativa. La
oxidación química catalizada mediante el reactivo de Fenton ha mostrado una gran
eficacia para la destrucción total de contaminantes cuando se utiliza en combinación
con el criterio de intensificación en la concepción y diseño del proceso. Sin embargo,
su difusión a escala industrial se ha visto limitada por barreras que, a nuestro juicio,
están más relacionadas con el enfoque desde los paradigmas tradicionales vigentes
en el ámbito de la ingeniería química, que con el verdadero potencial de esta
29
metodología. Por lo tanto los obstáculos que impiden la aplicación efectiva de este
tipo de tratamiento químico en una gran variedad de industrias pueden ser superados
mediante un cambio radical en el enfoque del diseño de procesos.
La oxidación de muchas moléculas orgánicas en solución acuosa se realiza
por el agregado simultáneo de un catalizador de hierro soluble en agua y peróxido de
hidrógeno. La oxidación pudo comprobarse en rangos ácidos de pH, sin necesidad
de recurrir a altas presiones o temperaturas, y utilizando equipamiento convencional.
Por años el descubrimiento de Fenton sólo atrajo el interés por descifrar el
mecanismo detallado por el cual tiene lugar la oxidación. Aún cuando no ha sido
posible desarrollar un modelo cinético detallado, se sabe que la oxidación involucra
un gran número de intermediarios y reacciones elementales. Investigaciones
recientes han permitido comprobar que el agente responsable de la oxidación es el
radical hidroxilo OH • . Este radical libre es en extremo reactivo y se forma por la
descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno en un medio ácido.
Un método de tratamiento químico que no ha recibido merecida atención es el
proceso de oxidación avanzada conocido como proceso Fenton. En este proceso la
carga contaminante se trata con una combinación de peróxido de hidrógeno y sulfato
ferroso (reactivo Fenton), típicamente a presión atmosférica y temperatura entre 20
°C y 40 °C. Siguiendo una apropiada política para e l agregado del reactivo Fenton en
condiciones ácidas y con la temperatura apropiada, el proceso puede alcanzar una
significativa degradación de los contaminantes orgánicos, comprendiendo:
•
Un cambio estructural de los compuestos orgánicos que posibilitan un
eventual tratamiento biológico posterior.
•
Una oxidación parcial que redunda en una disminución de la toxicidad del
efluente.
•
Una oxidación total de los compuestos orgánicos en sustancias inocuas que
posibilitan una descarga segura del efluente sin necesidad de un posterior
tratamiento.
30
Algunos compuestos son más refractarios que otros, requiriendo de temperaturas
más elevadas para su oxidación. Por ejemplo el benceno o el fenol se oxidan con
relativa facilidad, mientras que los derivados clorados son menos reactivos y
demandan mayor tiempo para su tratamiento o temperaturas más elevadas. En
muchos casos, un substrato orgánico aparentemente refractario al tratamiento puede
ser oxidado alterando las condiciones de temperatura, pH o concentración de
catalizador. Las condiciones óptimas del tratamiento dependerán necesariamente de
cada efluente en particular, su composición y toxicidad.
Una
vez que los estudios de factibilidad a escala laboratorio han sido
completados, el método de oxidación química puede escalarse a tamaño industrial.
Puede ser mediante un reactor discontinuo que puede operar a presión atmosférica o
presurizado, si se desea operar a temperaturas mayores para una mayor efectividad.
En este último caso, el calor de oxidación permite alcanzar una mayor velocidad de
reacción y disminuir el tiempo necesario para alcanzar elevados rendimiento en la
degradación.
Para el seguimiento y control de la oxidación las mediciones más relevantes
son el potencial de oxidación-reducción (ORP), la temperatura y el nivel de acidez o
pH. Idealmente, el pH debe mantenerse en un rango ácido de entre 2 y 4, para evitar
así la precipitación del catalizador que tiene lugar cuando el pH es mayor a 5. Con
agentes ‘quelantes” que mantienen al hierro en suspensión, es posible operar en
condiciones de pH neutro que favorecen el uso de materiales convencionales.
Agregados intermitentes de ácido o álcali permiten un adecuado control de la acidez.
Al final del tratamiento, el exceso de catalizador se precipita con un agente floculante
para permitir su recuperación. La velocidad de oxidación aumenta con el incremento
de temperatura. A presión atmosférica, el rango recomendable de operación es entre
40 y 50 °C, ya que si se sobrepasa los 500 °C, ocur re una descomposición acelerada
del peróxido de hidrógeno en oxígeno y agua. Operando a presiones de hasta 3
atmósferas se pueden alcanzar temperaturas superiores a los 100 grados sin riesgo
de descomposición del peróxido. [3,7]
31
La reacción general es la siguiente, teniendo como única condición efectuar la
reacción en condiciones ácidas durante el proceso de mezclado del Fe2+ / H2O2 para
la liberación del radical OHFe2+ + H2O2
Fe3+ + OH- + OH
K = 76.5 mol-1 s-1
El Fe (III) formado puede reaccionar con el H2O2, a esto es llamado la reacción
de Fenton, a la regeneración del Fe2+
Fe3+ + H2O2
Fe2+ + OOH + H+
K = 2 x 10-3 mol-1 s-1
Fe3+ + HOO
Fe3+ + R.
Fe2+ + O2 + H+
Fe2+ + R+
Las condiciones óptimas del tratamiento dependerán necesariamente de cada
efluente en particular y su composición, así como las relaciones de FeSO4 /H2O2. [6]
32
CAPITULO III
DESARROLLO EXPERIMENTAL
33
3.1 ESTRATEGIA DE TRABAJO
Las tomas de muestras se realizaron a la salida del área de producción donde
se fabrican peróxidos orgánicos. Para los análisis de estas aguas se tuvieron que
acondicionar para su previo análisis. Estas aguas tienen un gran contenido de
contaminantes orgánicos, por lo que en algunas ocasiones generan problemas
durante su tratamiento hasta su descarga.
La estrategia de trabajo que se llevo a cabo en esta investigación se muestra
en la figura 3.1. La caracterización consistió principalmente en determinar la
Demanda química de oxígeno (DQO), cromatografía de gases (C.G) pH,
Conductividad, Sólidos disueltos totales (STD). En la prueba de tratabilidad se
utilizaron diferentes tipos de aguas residuales del proceso, debido a que cada dos
días la producción es diferente.
Muestreo
Caracterización del agua residual
Prueba de tratabilidad con
reacción de Fenton
Análisis químico
Resultados
Figura 3.1 Estrategia de trabajo
34
3.2 MATERIAL Y METODO
El trabajo se dividió en dos etapas:
1. Análisis iniciales
2. Análisis de reacción de Fenton
3.2.1 CARACTERIZACIÓN DEL AGUA
Se realizó la caracterización del agua residual con la finalidad de conocer los
parámetros fisicoquímicos iniciales que permitirán determinar la composición inicial
de la muestra.
Los parámetros determinados en el agua residual fueron: pH, DQO
conductividad, sólidos totales disueltos (STD) Cromatografía de gases (C.G.).
a) pH
El pH se determinó por el método electrométrico, utilizando un potenciómetro
marca Orion 420 A. Se tomo un litro década una de las muestras a una temperatura
de 25°C.
b) DQO
La DQO es la cantidad de oxígeno necesario para oxidar la materia orgánica e
inorgánica por medio de dicromato en una solución ácida y convertirla en dióxido de
carbono y agua. Se usa para comprobar la carga orgánica de aguas residuales que,
es o no biodegradables o contienen compuestos que inhiben la actividad de los
microorganismos.
El valor de la DQO es siempre superior al de la DBO5 por lo que muchas
sustancias orgánicas pueden oxidarse químicamente, pero no biológicamente.
35
Para la realización de la DQO se tienen tubos ya preparados con los reactivos
indicados marca Hach. A los tubos se les agrega 0.2ml de muestra se tapa y se agita
para su homogenización del reactivo con la muestra. Se ponen a digestar por 2hrs,
en un termodigestor. Acoplándose el tiempo se retira y se agita, se enfría y para su
posterior lectura, por medio de titulación con sulfato ferroso 0.25N.
c) Conductividad
La conductividad se realiza a nivel electrométrico con un potenciómetro que
también sirve para realizar lecturas de conductividad.
3.3 REACTIVOS EMPLEADOS EN LA METODOLOGÍA
ANALÍTICA
Agua oxigenada al 50%
Sulfato ferroso 7H2O
Agua destilada
NaOH 1M
H2SO4 conc.
3.4 ANÁLISIS DE LA REACCIÓN DE FENTON
Se toma las muestras del área de producción, estas aguas son una mezcla de
aguas de todo lo que se fabrica durante el proceso. Estas aguas llegan con un pH de
aproximadamente 12. Para poder trabajar con estas aguas se tiene que bajar su pH
a 4 aproximadamente, ya que estas pueden contener residuos de peróxidos que al
ser tratados directamente podrían reaccionar de una forma agresiva. Al bajarle el pH
se forman dos fases. Orgánica e inorgánica. Se realiza la separación por medio de
un embudo de separación. La parte a analizar es la orgánica. A esta misma se le
36
realizan las primeras pruebas iníciales como toma de pH, temperatura, DQO,
Conductividad, sólidos totales disueltos (STD), cromatografía de gases (C.G.).
3.4.1 MONTAJE
Todas las pruebas realizadas, se llevan a cabo en área de campanas, por
razones de seguridad, ya que, como son pruebas realizadas con peróxido de
hidrógeno al 50% puede tener el riesgo de ser un poco exotérmica.
Teniendo los datos iníciales se procede a analizar 1lt de muestra de desecho
de producción y se pone agitar en la parrilla eléctrica con agitador magnético.
Se calienta la muestra entre 40° y 50°C. Ya que si se sobre pasa de los 50°C,
ocurre una descomposición acelerada del peróxido de hidrógeno en oxígeno y agua.
Ya teniendo la temperatura deseada se empieza a realizar la reacción de Fenton.
Se afora 170ml de agua oxigenada en 250ml de agua destilada. Aparte
se pesa 11.4gr de sulfato ferroso heptahidratado y se le va agregando poco a poco a
la muestra ya que se le agrego, se le comienza adicionar el agua oxigenada poco a
poco, siempre cuidando que no cambie bruscamente tanto la temperatura como el
pH. Se sigue realizando la adición hasta agregarle 235ml de agua oxigenada.
Ya terminando de adicionarle los reactivos, da por iniciada la reacción de
Fenton.
3.5 MONITOREO DE LA REACCIÓN
Ya iniciando la reacción de Fenton, se comienza a monitorear la reacción
tomando muestras de 20ml primero cada media hora hasta llegar a la hora, de ahí
cada hora hasta a completar 2 horas. Se determino que se dejaría hasta las 2 horas
porque la variación que existe en los valores después de ese tiempo, no son
37
significativas, la variación está entre las primeras horas después de comenzada la
reacción.
Cada muestra se neutraliza subiéndole el pH hasta 12 con NaOH 1M. Al
agregarle el NaOH para neutralizar se le adicionaba poco a poco ya que si no se
tiene cuidado podría subir la temperatura severamente hasta elevarse a más de
300°C.
Al neutralizarse la reacción se observa una precipitación rojiza indicando
presencia de Fe. Como se observa en la figura 3.2
Figura 3.2 Agua residual después de ser neutralizada
38
Figura 3.3 Agua residual neutralizada y asentada
3.6 ANÁLISIS DE MUESTRA
A cada muestra neutralizada se le realizan los mismos análisis como a la
muestra inicial: pH, conductividad, STD, C.G. fosforo, DQO. Para tener un
comparativo de la muestra inicial con las muestras tomadas en la reacción.
39
3.7 DESMONTAJE Y LAVADO DEL EQUIPO
Al término de las pruebas de los análisis de la reacción de Fenton, se
desecharon todas las muestras líquidas enviándolas al área de efluentes al inicio del
tratamiento primario.
Las muestras sólidas que se formaron durante la reacción y durante los
análisis se enviaron al área de confinamiento para ser quemados.
Los vasos de precipitación y las pipetas, se lavan con agua y jabón y por
último se les agrega cetona para su rápido secado y eliminar residuos de las
muestras que no se pudiesen haber eliminado.
Al termino de la investigación, los equipos que se utilizaron durante la el
mismo se limpiaron con trapo húmedo para eliminar cualquier residuo que pudiese
haber caído durante la investigación.
40
CAPITULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS
41
4.1 INTERPRETACIÓN DEL PRIMER ANÁLISIS DE
RESULTADOS
Los resultados de la caracterización del agua residual se presentan en la tabla
4.1 El agua residual tiene un mayor contenido de carga orgánica. El agua residual se
ajusta a un pH de 4 aproximadamente.
PRIMER ANALISIS
pH
DQO
Conductividad
STD
CG mg/L
Metanol
Etanol
Acetona
TBA
Mek
PDTB
Ac. Hexanoico
Acisono
INICIAL
30min
1hr
2hr
4.72
20733.44
141000
89854
12.86
5431
124000
79020
12.51
6368.7
125000
79658
12.72
5899.9
128000
81570
116.131
27.595
23.053
21.82107
1489.918
3478.87
1121.03
59.883
694.855
0
40.81
0
19.95
4.48
10.979
13.423
0
21.16
5.48
7.482
43.204
0
25.387
5.31
0
0
0
92.835
74.095
103.20407
38.8805
6999.5675
Tabla 4.1 Resultados del primer análisis del agua residual
42
4.1.1 INTERPRETACIÓN GRÁFICA DEL PRIMER ANÁLISIS
El análisis de DQO realizado para determinar la perdida de materia orgánica
en el agua residual ver grafica 4.1 en el cual se observa que la DQO disminuye en
función al tiempo en que tarda el reactivo de Fenton en el agua.
Se realizo el grafico con el agua residual sin reactivo de Fenton (Inicial).
Grafica 4.1 Comportamiento de la DQO en el primer análisis
Se determino la composición cromatográfica del agua residual analizada, en
las graficas 4.2 las cuales muestran la tendencia en disminución de cada uno de los
componentes orgánicos, los cuales indican que el reactivo de Fenton ayuda a la
43
disminución de las trazas orgánicas que puedan contener las aguas desde el
tratamiento primario.
a) Metanol
b) Acetona
44
c) TBA
d) Mek
45
e) PDTB
f) Ac. Hexanoico
46
g) Acisono
Grafica 4.2 Comportamiento Fenton del primer análisis en CG.
MEK: Metil-etil-cetona
HPTB: Hidroperóxido de terbutilo
PDTB: Peróxido de diterbutilo
47
4.2 INTERPRETACIÓN DEL SEGUNDO ANÁLISIS DE
RESULTADOS
Los resultados de la caracterización del agua residual del segundo análisis se
presentan en la tabla 4.2 Se puede observar cómo van variando los valores desde la
muestra inicial y después de la finalización de la reacción de Fenton.
SEGUNDO ANALISIS
pH
DQO
Conductividad
STD
CG mg/L
Metanol
Etanol
Acetona
TBA
Mek
PDTB
Ac. Hexanoico
Acisono
INICIAL
30min
1hr
2hr
4.43
45776.6
100000
63726
12.15
6138.36
151000
96226
12.26
8843.4
156000
99413
12.25
6603.17
122000
77746
17.713
0
43.774
49.618
55.979
25.067
126.018
0
0
9.219
10.9706
88.443
19.2896
48.224
0
0
6.87
5.255
60.832
0
9.86
0
0
12.082
18.636
0
0
7.27
83.403
35.074
8.369
0
401.572
211.2175
91.186
66.492
Tabla 4.2 Resultados del segundo análisis del agua residual
48
4.2.1 INTERPRETACIÓN GRÁFICAS DEL SEGUNDO ANALISIS
El análisis de DQO realizado para determinar la pérdida de materia orgánica
en el agua residual en el segundo análisis, ver grafica 4.3 en el cual se observa que
la DQO disminuye en función al tiempo en que tarda el reactivo de Fenton en el
agua.
Se realizo el grafico con el agua residual sin reactivo de Fenton (Inicial).
Grafica 4.3 Comportamiento de la DQO en el segundo análisis.
Se vuelve a determinar la composición cromatográfica del agua residual en el
segundo análisis, en las graficas 4.4 las cuales se sigue mostrando la tendencia en
disminución de cada uno de los componentes.
49
a) Metanol
b) Acetona
50
C) TBA
d) MEK
51
e) PDTB
f) Ac. Hexanoico
52
G) Acisono
Grafica 4.4 Comportamiento Fenton del segundo análisis en CG.
53
4.3 INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS DEL TERCER
ANÁLISIS
Los resultados de la caracterización del agua residual del tercer análisis se
presentan en la tabla 4.3 Se puede observar como varían los valores desde la
muestra inicial hasta los valores finales de la reacción de Fenton.
TERCER ANALISIS
pH
DQO
Conductividad
STD
CG mg/L
Metanol
Etanol
Acetona
TBA
Mek
PDTB
Ac. Hexanoico
Acisono
INICIAL
30min
1hr
2hr
4.5
29875.44
311000
12.92
3329.28
151000
12.53
1872.72
156000
12.42
1456.56
93000
198188
96226.55
99412.86
59265.36
19.313
0
33.384
55.618
60.126
24.687
119.852
83.403
15.456
0
22.919
39.658
46.856
18.87
51.498
35.074
10.719
0
16.36
28.018
11.821
10.546
35.46
15.367
3.71
0
4.661
0
5.69
0
8.782
0
396.383
230.331
128.291
22.843
Tabla 4.3 Resultados del tercer análisis del agua residual
54
4.3.1 INTERPRETACIÓN GRÁFICAS DEL TERCER ANALISIS
El análisis de DQO realizado para determinar la pérdida de materia orgánica
en el agua residual en el tercer análisis, se observa en la grafica 4.5 la disminución
de la DQO disminuye en función al tiempo en el que tarda reaccionando el reactivo
de Fenton en el agua.
Se realizo el grafico con el agua residual sin reactivo de Fenton (Inicial).
Grafica 4.5 Comportamiento de la DQO en el segundo análisis.
Se determino la composición cromatográfica del agua residual analizada, en
las graficas 4.6 las cuales siguen demostrando tendencia en disminución de cada
uno de los componentes.
55
a) Metanol
B) Acetona
56
c) TBA
d) MEK
57
e) PDTB
f) Ac. Hexanoico
58
g) Acisono
Grafica 4.6 Comportamiento Fenton del tercer análisis en CG.
59
CONCLUSIONES
60
De acuerdo con los resultados obtenidos experimentalmente y en base a la
interpretación de los análisis realizados mediante cromatografía de gases, se pudo
observar una considerable disminución en la concentración de los componentes
orgánicos, y por tanto también de la DQO.
La remoción de carga orgánica es mayor que con el simple tratamiento
biológico habitual de la planta, siendo de entre un 70% a 90% de remoción de DQO.
La relación DBO/DQO considerado para las aguas residuales de este proceso es de
0.7 por lo que se considera se tiene una DBO mayor a 1000 mg/lt por lo que es aún
necesario un tratamiento biológico que complemente el tratamiento para obtener la
concentración deseada de acuerdo a la normatividad.
Sobre sale en esta investigación la remoción de los compuestos con mayor
dificultad a tratar por tratamiento biológico como son MEK, TBA, PDTB, Acisono. Ya
que
estos
compuestos
tienen
carbonos
terciarios
los
cuales
son
poco
biodegradables.
La reacción de Fenton puede ser una alternativa para utilizarlo como parte de
un tratamiento primario para este tipo de industria, la concentración de
contaminantes orgánicos en el agua residual del proceso es grande y difícil de
remover con los métodos convencionales.
Esperando que esta investigación pueda servir para ampliar el conocimiento
respecto al tratamiento de aguas mediante la reacción de Fenton. La reacción de
Fenton puede ser útil en procesos que generan efluentes con alto contenido de
contaminantes orgánicos. Además de la reacción de Fenton, existen otros métodos
de oxidación avanzada, que pueden ser motivo de investigaciones complementarias
al presente trabajo.
61
BIBLIOGRAFIA
62
1. Analiza calidad “tratamiento de aguas residuales industriales”
www.analizacalidad.com/aguas.pdf
2. Crites Tchobanoglous “Tratamientos de aguas residuales en pequeñas
poblaciones” Graw Hill
3. Cheves Walling (1975)
“Fenton's reagent revisited”
Acc. Chem. Res., 8, págs. 125–131
4. “Handbook of wáter treatment”
Kurita 2da edición ingles
5. html.rincondelvago.com/contaminación_acústica...
Contaminación_acustica_de_aguas_de_trafico
6. IMIQ “Tecnología Ciencia Educación”
Vol. 17 Núm. 1 enero-junio 2002
7. Martínez, E. G. y López G. D. (2001) “Tratamiento químico de contaminantes
orgánicos El proceso Fenton”
Ing. Química España. Núm., 375 pág. 149-151
8. Mopt “Depuración por lagunaje de aguas residuales. Manual de operaciones”
Edit. 1991
9. Norma Oficial Mexicana Nom-001-Ecol-1996, Que Establece Los Límites
Máximos Permisibles De Contaminantes En Las Descargas De Aguas
Residuales En Aguas Y Bienes Nacionales.
10. Norma Oficial Mexicana Nom-003-Ecol-1997, Que Establece Los Límites
Máximos Permisibles De Contaminantes Para Las Aguas Residuales Tratadas
Que Se Rehúsen En Servicios Al Publico
11. Rigola la Peña, Miguel “Tratamiento de aguas industriales, aguas de procesos
residuales”
Alfa omega Pg. 141-142
12. Rodríguez Fernández A., Letón García P., Rosal García M. “Tratamientos
avanzados de aguas residuales industriales”
CEIM Confederación empresarial de Madrid-ceo; Comunidad de Madrid
13. Romero Rojas, Jairo Alberto “Tratamiento de aguas residuales por lagunas de
estabilización"
Alfa omega. 3ra edición
14. www.cisproquim.org.co/HOJAS_SEGURIDAD/acido_sulfurico.pdf
15. www.cisproquim.org.co/HOJAS_SEGURIDAD/Peroxido_de_hidrogeno.pdf
16. www.cisproquim.org.co/HOJAS_SEGURIDAD/Hidroxido_de_sodio.pdf
17. http://dec.fq.edu.uy/infolab/sds058.pdf
63
ANEXO
HOJAS DE SEGURIDAD
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
GLOSARIO
Agua residual:
Aguas procedentes de hogares o de la industria que se recogen y se
transportan por el sistema de alcantarillado (tuberías o túneles). Cuando las aguas
residuales se depuran en las plantas de tratamiento, el producto residual es un lodo
que puede ser usado como fertilizante (bajo ciertas condiciones) o ser depositado en
vertederos.
Carga Orgánica:
Producto de la concentración media de DNO por el caudal medio determinado
en el mismo sitio; se expresa en kilógramos por día (kg/d).
DQO:
Demanda Química de Oxígeno. Es la cantidad de oxígeno requerida
para oxidar la materia orgánica e inorgánica contenida en el agua después de
corregir la influencia de los cloruros. Es la cantidad de oxígeno requerido para
la oxidación de la materia orgánica a partir de un oxidante químico fuerte.
Efluentes:
Descarga al ambiente de contaminantes en su estado natural o tratados
parcial o totalmente.
Microorganismos:
Organismos microscópicos pertenecientes por regla general a virus, bacterias,
algas, hongos o protozoos.