degradacion del fenol en aguas residuales
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“DEGRADACIÓN DEL FENOL PRESENTE EN AGUAS RESIDUALES DEL
AEROPUERTO JORGE CHÁVEZ - LIMA MEDIANTE Pseudomonas aeruginosa”
Pruebas en reactor batch en diferentes condiciones para muestras sintéticas.
Con la cepa elegida se realiza los ensayos a diferentes condiciones ambientales, en
el que se hacen variar la temperatura y la difusión de oxígeno disuelto. Por lo cual se
tiene el siguiente procedimiento.
- El análisis del fenol se determinó por el método 4 amino antipirina.
- En el siguiente cuadro se muestra, las variaciones ambientales. Estas son
controladas para cada operación.
Bajo Alto
Parámetros Z1 Z2
Temperatura 23 29
Potencia de la
bomba de
oxígeno (psi).
0,875 1,75
Resultados con muestras sintéticas
Influencia de la temperatura y del oxígeno
La temperatura y el oxígeno influyen fuertemente en la degradación del fenol, la
variación de estos parámetros, demuestran que la velocidad de consumo del fenol en
muestras sintéticas, es variable de acuerdo al suministro de oxígeno y a la variación
de la temperatura.
Así para valores mínimos de temperatura y oxígeno, la velocidad de remoción del
fenol es lenta, sin embargo cuando se trabaja con datos intermedios de Temp. Min. y
Oxigeno Máx., y de Temp. Máx. y Oxígeno Min. se observa que la remoción del
fenol son casi cercanos, entre sí. El suministro de un flujo mayor de oxígeno a una
temperatura máxima permite una mayor remoción del fenol en un menor tiempo, esto
se debe a que las bacterias metabolizan rápidamente el fenol.
En el siguiente cuadro se tiene el tiempo de consumo del fenol con el tiempo.
Tiempo
correlativo
(horas)
Min. Oxigeno
Min.
Temperatura
(g de fenol/ml)
Máx. Oxígeno
Min.
Temperatura
(g de fenol/ml)
Min. Oxígeno
Máx.
Temperatura
(g de fenol/ml)
Máx. Oxígeno
Máx. Temperatura
(g de fenol/ml)
0 300 300 300 300
1 277,203 274,624 230,72 236,253
3 231,257 245,952 219,74 161
5 230,082 237,825 208,9 150,351
7 221,796 228,162 201,125 142,6143
24 147,552 146,03 139,02 2,107
25 141,951 132,43 133,37 1,291
27 120,917 115,761 108,341
29 108,12 103,744 94,524
31 93,166 74,47 73,73
Resultado de 2 ensayos
0 5 10 15 20 25 30 3550
100
150
200
250
300
350Valores Mínimos (Min. O2 y Min. temperatura)
Tiempo (h)
Conc
entra
ción
de
feno
l (ug
/ml)
Fig. 1. Remoción de fenol con el tiempo, con parámetros mínimos de operación.
0 5 10 15 20 25 30 350
50
100
150
200
250
300
350
Valores intermedios (Máx. O2 y Min. Temp.)
Tiempo (h)
Conc
entra
ción
de
feno
l (ug
/ml)
Fig. 2. Remoción de fenol con el tiempo, con parámetros intermedios de operación
(Máx. O2 y Min. Temperatura).
0 5 10 15 20 25 30 350
50
100
150
200
250
300
350
Valores intermedios (Min. O2 y Máx. Temp.)
Tiempo (h)
Conc
entra
ción
de
feno
l (ug
/ml)
Fig. 3. Remoción de fenol con el tiempo, con parámetros intermedios de operación
(Min. O2 y Máx. Temperatura).
0 5 10 15 20 25 300
50
100
150
200
250
300
350
Valores Máximos (Máx. O2 y Máx. temperatura)
Tiempo (h)
Conc
entra
ción
de
feno
l (ug
/ml)
Fig. 4. Remoción de fenol con el tiempo, con parámetros máximos de operación.
0 5 10 15 20 25 30 350
50
100
150
200
250
300
350Variación del fenol a diferentes parámetros
Valores mín-imos
Máx O2 y Min. Temp.
Min. O2 y Máx. Temp.
Series8
Tiempo (h)
Conc
entra
ción
de
feno
l (ug
/ml)
Fig. 5. Remoción de fenol con el tiempo, a diferentes parámetros de operación.
Variación del pH
En la remoción del fenol el factor pH varia con el tiempo, este desciende hasta que es
removido completamente por las bacterias. Sin embargo las perlas de alginato de
calcio no sufren daño alguno hasta llegar a un pH por debajo de 3,5, esto debido a
que en la inmovilización se realizó a 3.2% de alginato de calcio. No hay abrasión en
las perlas por fuerzas externa, en las tres primeras pruebas consecutivas la perla
resiste a ser fracturada, sin embargo en la cuarta prueba esta se daña, por el uso
continuo y por la variación del pH en la solución, como se sabe por teoría el factor
pH es importante en la consistencia de las perlas de alginato de calcio, ya que estas
tienden a desestabilizarse a pH por debajo de 3,5.
En el siguiente cuadro se muestra la variación del pH con el tiempo.
Tiempo
correlativo
(h)
Min. Oxigeno
Min.
Temperatura
Máx.
Oxígeno Min.
temperatura
Min. Oxígeno
Máx.
temperatura
Máx.
Oxígeno
Máx.
temperatura
0 6,527 6,527 6,527 6,527
1 6,54 6,467 6,474 6,445
3 6,566 6,41 6,503 6,434
5 6,57 6,366 6,494 6,532
7 6,307 6,277 6,212 6,51
24 4,324 4,058 3,855 4,097
25 4,497 4,06 3,789 3,847
27 4,337 3,682 3,76
29 4,126 3,416 3,694
31 3,95 3,156 3,636
Resultado de 2 ensayos
0 5 10 15 20 25 30 353
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Variación del pH en valores mínimos (Mim. O2 y Min. Temp.)
Tiempo (h)
Varia
cion
de
pH
Fig. 6. Variación del pH con el tiempo, en parámetros mínimos de operación.
0 5 10 15 20 25 30 353
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Variación del pH en valores intermedios (Máx. O2 y Min. Temp.)
Tiempo (h)
Varia
cion
de
pH
Fig. 7. Variación del pH con el tiempo, en parámetros intermedios de operación
(Máx. O2 y Mín. Temperatura).
0 5 10 15 20 25 30 353
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Variación del pH en valores intermedios (Min. O2 y Máx. Temp.)
Tiempo (h)
Varia
cion
de
pH
Fig. 8. Variación del pH con el tiempo, en parámetros intermedios de operación
(Min. O2 y Máx. Temperatura).
0 5 10 15 20 25 303
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Variación del pH en valores máximos (Máx. O2 y Máx. Temp.)
Tiempo (h)
Varia
cion
de
pH
Fig. 9. Variación del pH con el tiempo, en parámetros máximo de operación.
0 5 10 15 20 25 30 353
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7Variación del pH a diferentes parámetros
Valores mín-imosMáx. O2 y Min. Temp.Min. O2 y Máx. Temp.Valores máx-imos
Tiempo (h)
Varia
cion
de
pH
Fig. 10. Variación de pH con el tiempo, a diferentes parámetros de operación.
Resultados de Muestras reales en bajas concentraciones de fenol
Se realizó una prueba experimental con una muestra real de la planta de tratamiento
de aguas residuales del aeropuerto Jorge Chávez, estas aguas residuales provienen de
baños portátiles de las aeronaves (aviones).
El procedimiento experimental se realizo en la simulación de un reactor batch, para
lo cual primero se caracterizó el agua residual, con el siguiente resultado.
Resultado de sólidos
Muestra
1
Muestra
2
Promedi
o
%
error
Desviació
n estándar
(s)
Sólidos
totales0,0621 0,0635 0,0628
2,20
50,001
Sólidos
totales fijos0,0401 0,0414 0,04075 3,14 0,001
Sólidos
totales
volátiles
0,022 0,0221 0,022050,45
20
Cuadro Nº. Datos de la caracterización de la muestra.
Con los resultados previos de la caracterización de la muestra de agua residual, se
desarrollo la parte experimental de la remoción del fenol, en un reactor batch, en el
que se aplicó células inmovilizadas de Pseudomonas aeruginosa en alginato de
calcio. Se empleó 20,13 gr. de perlas de alginato de calcio (equivalente a 238 perlas),
cada perla tiene 36 x 105 células de Pseudomonas aeruginosa (para 238 perlas
equivale a 8 568 x 105 células).
A partir de los datos obtenidos de las muestras sintéticas, se trabajo en un reactor
batch en un proceso de operación de temperatura mínima de 23 ºC a un flujo máximo
de oxígeno. Se eligió estos parámetros para obtener la mayor cantidad de datos. El
siguiente cuadro muestra el reporte de la variación del pH y la conductividad
eléctrica, con respecto al tiempo.
Tiempo
correlativ
o (h)
PH
Conductivid
ad eléctrica
(ms)
0 7,886 7,47
0,25 8,185 7,4
0,5 8,212 7,33
0,75 8,24 7,305
1 8,26 7,28
1,25 8,24 7,26
1,5 8,248 7,23
1,75 8,251 7,19
2 8,246 7,16
2,25 8,322 7,07
2,5 8,288 6,99
2,75 8,288 6,87
Cuadro Nº. Variación del pH y la conductividad eléctrica, con respecto al tiempo.
Resultado de 2 ensayos
La variación de la conductividad eléctrica con el tiempo mide el consumo de sales
minerales por las bacterias, el que también es un indicador en la remoción del fenol.
Las sales minerales ayudan a asimilar el fenol, por las bacterias.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 36.4
6.6
6.8
7
7.2
7.4
7.6Variacion de la conductividad eléctrica
Tiempo (h)
Co
nd
uct
ivid
ad e
léct
rica
(m
s)
Fig. Nº. Variación de la conductividad eléctrica con el tiempo
El pH influye en la estabilidad de las perlas de alginato de calcio, como también en la
velocidad de remoción de fenol. En el siguiente figura se muestra la variación del pH
con el tiempo, se observa un aumento de pH, a un máximo de 8,322, que luego
desciende, esta variación de pH se debe a la producción de metabolitos de las
bacterias.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 37.6
7.7
7.8
7.9
8
8.1
8.2
8.3
8.4Variación del pH
Tiempo (h)
pH
La remoción del fenol se midió en un equipo de absorción atómica, a una longitud
de onda de 460 nm. Con los valores obtenidos se determinó el orden y la velocidad
de degradación de fenol en un reactor batch.
Muestr
a
Códig
o
Lectur
a a
460
nm
(Abs)
Lectura
corregid
o 460
nm
(Abs)
Concentraci
ón
% de
remoció
n
T0 B 0,15 0 11,504 0
T1 T1 0,56 0,41 11,244 2,26
T2 T2 0,5176 0,3676 10,143 11,831
T3 T3 0,475 0,325 9,036 21,453
T4 T4 0,433 0,283 7,945 30,937
T5 T5 0,354 0,204 5,894 48,766
T6 T6 0,317 0,167 4,932 57,128
T7 T7 0,298 0,148 4,439 61,413
B 0,082 0 0,595 0
T8 T8 0,219 0,137 4,153 63,9
T9 T9 0,193 0,111 3,478 69,767
T10 T10 0,183 0,101 3,218 72,027
T11 T11 0,173 0,091 2,958 74,287
Cuadro Nº. Remoción del fenol con el tiempo. Lectura en el equipo de
espectrofotómetro a una longitud de onda de 460 nm.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
10
20
30
40
50
60
70
80
% de remoción con el tiempo
Tiempo (h)
% d
e re
mo
ció
n
El principio de conservación de masa en un reactor batch, está definido por un
volumen constante donde no existe el flujo de entra y de salida del reactor. En este
reactor de flujo intermitente el balance de masa con reacción, está expresada en la
siguiente ecuación.
dCdtV=QCo−QC+r cV
Acumulación=Entrada−Salida+Generación
En vista que Q=0, la ecuación resultante para un reactor de flujo intermitente es:
dCdt
=rc
Mediante esta ecuación se define la velocidad de reacción de remoción de fenol,
como también el orden de reacción. En la prueba experimental se obtuvo los
siguientes datos.
Cuadro Nº .
Remoción del
fenol con el
tiempo y el
grado de
reacción.
En la
determinación
del orden de
reacción, para
el orden cero, primer orden y segundo orden deben de cumplir con la formación de
una recta, para cada caso. La pendiente que se obtiene viene a ser la velocidad de
reacción o velocidad de consumo del sustrato (velocidad de remoción de fenol). En
las siguientes figuras se muestran las pruebas para la determinación del orden y de la
velocidad de reacción.
Tiempo
correlati
vo (h)
Concentraci
ón (ug/ml)
Primer ordenSegundo
orden
C/
Co
-
log(C/
Co) 1/Ca
0 11,504 1 0 0,087
0,2511,244
0,97
7 0,01 0,089
0,510,143
0,88
2 0,055 0,099
0,759,036
0,78
5 0,105 0,111
17,945
0,69
1 0,161 0,126
1,255,894
0,51
2 0,291 0,17
1,54,932
0,42
9 0,368 0,203
1,754,439
0,38
6 0,413 0,225
24,153
0,36
1 0,442 0,241
2,253,478
0,30
2 0,52 0,288
2,5 3,218 0,28 0,553 0,311
2,752,958
0,25
7 0,59 0,338
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
2
4
6
8
10
12
f(x) = − 3.47958041958042 x + 11.3630897435897R² = 0.946775591617217
Remoción del fenol (orden cero)
Tiempo (h)
Conc
entra
ción d
e fen
ol (ug
/ml)
Fig. Nº. Prueba para la determinación de cinética de orden cero. Por el resultado
obtenido el valor de R2=0,9468, significa que la velocidad de reacción no es de un
orden cero.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
f(x) = 0.23986013986014 x − 0.0374743589743591R² = 0.979591858757155
Primer orden
Tiempo (h)
- log (
C/Co
)
Fig. Nº. Prueba para la determinación de cinética de primer orden.
Por el resultado obtenido el valor de R2=0,9796, es cercano a 1, se puede considerar
que la velocidad de reacción para esta prueba experimental es de primer orden. Con
un coeficiente cinético de reacción de:
ln [ CCo ]=−kt
ln [ 2,95811,504 ]=−k∗2,75
k=0,4938h−1
Con el resultado obtenido de la reacción cinética para un segundo orden, se tiene la
siguiente gráfica.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
f(x) = 0.0987692307692311 x + 0.0548589743589742R² = 0.969120471969675
Segundo orden
Tiempo (h)
1/Ca
Fig. Nº. Prueba para la determinación de cinética de segundo orden. Por el resultado
obtenido el valor de R2=0,9691, significa que la velocidad de reacción no es de un
segundo orden.
Resultados de Muestras Reales en Altas Concentraciones de Fenol
En esta prueba experimental, se trabajó con una máxima concentración de fenol. En
la muestra de agua residual proveniente de la planta de tratamiento del aeropuerto
Jorge Chávez, se realizó una dosificación de 20 ppm, dicha muestra tiene las
siguientes características.
Resultado de sólidos
Muestra
1
Muestra
2
Promedi
o
%
error
Desviación
estándar (s)
Sólidos
totales 0,1145 0,12 0,117 4,583 0,004
Sólidos
totales fijos 0,0455 0,0465 0,046 2,151 0,001
Sólidos
totales
volátiles 0,069 0,0735 0,071 6,122 0,003
Cuadro Nº. Datos de la caracterización de la muestra.
Con los resultados previos de la caracterización de la muestra de agua residual, se
desarrollo la parte experimental de la máxima remoción del fenol, en un reactor
batch, en el que se aplicó células inmovilizadas de Pseudomonas aeruginosa en
alginato de calcio. Se empleó 20,13 gr. de perlas de alginato de calcio (equivalente a
238 perlas), cada perla tiene 36 x 105 células de Pseudomonas aeruginosa (para 238
perlas equivale a 8 568 x 105 células).
A partir de los datos obtenidos de las muestras sintéticas, se trabajo en un reactor
batch en un proceso de operación de temperatura máxima de 27 ºC a un flujo
máximo de oxígeno. Se eligió estos parámetros para obtener la mayor cantidad de
datos. El siguiente cuadro muestra el reporte de la variación del pH y la
conductividad eléctrica, con respecto al tiempo.
Obteniéndose el siguiente resultado:
Tiempo
correlati
vo (h)
PHConductivi
dad (ms)
0 7,027 21,2
0,5 7,525 21
1 7,71 20,8
1,5 7,882 20,65
2 8,001 20,5
2,5 8,249 20,3
3 8,311 20
3,5 8,44 19,95
Cuadro Nº. Variación del pH y la conductividad eléctrica, con respecto al tiempo.
Al igual que la fig. Nº , se tiene la variación de la conductividad eléctrica con el
tiempo. Las sales minerales presentes en el agua residual permiten la asimilación del
fenol por los microorganismos.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.519
19.5
20
20.5
21
21.5
Variación de la conductividad eléctrica
Tiempo (h)
Cont
uctiv
idad
elé
ctri
ca (m
s)
Fig. Nº. Variación de la conductividad eléctrica con el tiempo
En esta prueba experimental de alta concentración de fenol, se observa una variación
del pH con el tiempo. Obteniéndose un valor máximo de 8,44, para un periodo de 3,5
horas.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 47
7.2
7.4
7.6
7.8
8
8.2
8.4
8.6Variación del pH con el tiempo
Tiempo (h)
pH
La remoción del fenol se midió en un equipo de absorción atómica, a una longitud
de onda de 460 nm. Con los valores obtenidos se determinó el orden y la velocidad
de degradación de fenol en un reactor batch.
MuestraTiempo
correlativo
Lectura a
460 nm
(Abs)
Lectura
corregido
460 nm
(Abs)
Concentración
(ug/ml)
% de
remoción
To 0 0,218 0 20 0
T1 0,5 0,897263 0,679263 18,238 8,81
T2 1 0,8864445 0,6684445 17,957 10,215
T3 1,5 0,875626 0,657626 17,676 11,62
T4 2 0,857608 0,639608 17,208 13,96
T5 2,5 0,774679 0,556679 15,054 24,73
T6 3 0,6171755 0,3991755 10,963 45,185
T7 3,5 0,519578 0,301578 8,428 57,86
El consumo del fenol se puede expresar mediante el porcentaje de remoción con el
tiempo. Este % de remoción varía con el tiempo, debido a la asimilación por la
bacteria, en altas concentraciones de fenol.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40
10
20
30
40
50
60
70% de Remoción con el Tiempo
Tiempo (h)
% de
rem
oción
Cuadro Nº. Remoción del fenol con el tiempo. Lectura en el equipo de
espectrofotómetro a una longitud de onda de 460 nm.
Siguiendo el principio de conservación de masa de en un reactor batch se obtiene el
siguiente cuadro de resultados. Para una máxima concentración de fenol, con alto
contenido de sólidos totales, sólidos disueltos, sólidos volátiles, con alto DBO, DQO,
Nitritos, y con un pH alto.
Tiempo
correlativ
o
Orden
CeroPrimer orden
Segundo
orden
Segund
o orden
C/Co
log(C/
Co)
1/Ca -
1/Cao1/Ca
0 20 1 0 0 0,05
0,5 18,238 0,9119 0,04 0,005 0,055
1 17,9570,8978
50,047
0,006 0,056
1,5 17,676 0,8838 0,054 0,007 0,057
2 17,208 0,8604 0,065 0,008 0,058
2,5 15,054 0,7527 0,123 0,016 0,066
3 10,963 0,5481 0,261 0,041 0,091
5
3,5 8,428 0,4214 0,375 0,069 0,119
Cuadro Nº . Remoción del fenol con el tiempo y el grado de reacción.
Con los resultados obtenidos del cuadro se obtienen las siguientes gráficas que
definen la velocidad de reacción y el orden de reacción.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40
5
10
15
20
25
f(x) = − 3.0132380952381 x + 20.9636666666667R² = 0.851654806005028
Remocion del fenol (orden cero)
Tiempo (h)
Conc
entra
ción
del
feno
l (ug
/ml)
Fig. Nº. Prueba para la determinación de cinética de orden cero.
Por el resultado obtenido del valor de R2=0,8517, que es una cifra cercana a 1, se ha
de considerarse para esta prueba experimental que es de orden cero y con una
velocidad cinética de 0,2469 h-1.
ln [ CCo ]=−kt
ln [ 8,42820 ]=−k∗3,5
k=0,2469h−1
Con el resultado obtenido del cuadro Nº se tiene la siguiente gráfica para el primer
orden.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
f(x) = 0.142894776657449 ln(x) + 0.0628755360342604R² = 0.564437641122656
f(x) = 0.0945000000000002 x − 0.0447500000000002R² = 0.791810001319435
Primer orden
Tiempo (h)
-Log(
C/Co
)
Fig. Nº. Prueba para la determinación de cinética de primer orden. Por el resultado
obtenido el valor de R2=0,7918, significa que la velocidad de reacción no es de
primer orden.
Con el resultado obtenido del cuadro Nº se tienen las siguientes gráficas para el
segundo orden.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
0.12
0.13
f(x) = 0.0165238095238095 x + 0.0400833333333333R² = 0.719598632625741
Segundo orden
Tiempo (h)
1/Ca
Fig. Nº a. Gráfica para la determinación de velocidad para un Segundo orden, de
variable 1/Ca versus Tiempo. Por el resultado obtenido del valor de R2=0,7209,
significa que la velocidad de reacción no es de un segundo orden.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
f(x) = 0.0165238095238095 x − 0.00991666666666666R² = 0.719598632625741
Segundo orden
Tiempo (h)
1/Ca
- 1/
Cao
Fig. Nº b. Gráfica para la determinación de velocidad para un Segundo orden, de
variable 1/Ca – 1/Cao versus Tiempo. Por el resultado obtenido el valor de
R2=0,7256, significa que la velocidad de reacción no es de un segundo orden.