tratamientos avanzados de ar

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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES INGENIERIA AMBIENTAL CURSO : Tratamiento de aguas residuales industriales TRATAMIENTOS AVANZADOS DE AGUAS RESIDUALES

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Page 1: Tratamientos avanzados de AR

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA

FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES

INGENIERIA AMBIENTAL

CURSO : Tratamiento de aguas residuales industriales

TRATAMIENTOS AVANZADOS DE AGUAS RESIDUALES

Page 2: Tratamientos avanzados de AR

Fotodegradación

delpestici

daMertectemplean

dofotofenton

conluz

lámpara

deultraviole

ta

Page 3: Tratamientos avanzados de AR

INTRODUCCION

La fotodegradación de contaminantes, forma parte del

grupo de tecnologías de oxidación avanzada, que busca

reducir

y/o eliminar

compuestos

tóxicos

y persistentescomo son los pesticidas, los que han sido

incorporados en elambiente.

Objetivo.

Evaluar la fotodegradación del pesticida Mertect empleand

ofotofenton

con

lámpara

de luzultravioleta.

Page 4: Tratamientos avanzados de AR

El uso y la demanda creciente de los compuestos químicos sintéticos en los

últimos cien años, han dadoefecto que dichos compuestos acuáticos.

origen a una preocupación creciente sobre elpueden tener sobre los ecosistemas terrestres y

Debido

a sus

características

químicas,

los plaguicidas

son

contaminantes

persistentes que resisten en grado variable la degradación física, química ybiológica, por lo que su vida media en el ambiente puede ser elevada.El Tiabendazol (Mertect 20 SL) 2, es un fungicida utilizado para el controlcomplejo de hongos de la pudrición de la corona, del cuello y de los dedos banano y plátano, el cual se produce principalmente por la presencia de hongos

deldel los

Page 5: Tratamientos avanzados de AR

Fusarium spp, Colletotrichum sp, Verticillium sp 3-5; por tal razón, seemplea un fungicida altamente sistémico, con propiedades preventivas y curativas, el cual actúa inhibiendo la división celular de los patógenos, y de esta forma evitando la generación del deterioro de la corona de laplanta de plátano o

banano.

El Mertect

20de de

SLla

es un pesticida

empleado

para

regular el

crecimientovertimientos3,6-8. En la

corona

del banano,

y se encuentra

en losaguas residuales generadas en la industria bananeraactualidad, se encuentra en desarrollo la

aplicación delas tecnologías de procesos avanzados de oxidación (POAs) 9-11, quese basan en procesos de destrucción de los contaminantes por medio de sustancias químicas conocidas como radicales libres hidroxilos, lascuales

tienen

la propiedad de

ser

altamente

oxidantes;

dichosradicale

sreaccionan

con

el contaminante

y lo transforman

enescompuest

osinocuos

al ambiente.

La reacción

de Fenton1reconocida como

unade las más clásicas y más poderosas reaccionesde oxidación en

aguas.

Page 6: Tratamientos avanzados de AR

Esta reacción

se realiza

sin la presencia de

radiación ultravioleta;recientement

ese ha demostrado

que el poder oxidante de la reacción deFento

npuede

ser incrementado

significativamente

empleando

radiaciónultravioleta

óultravioleta/visible

(reacción de Fotofenton) 1, lo cual hagenerad

oestudios

para

descomponer

una gran

cantidad de compuestosrefractarios1, 9-11; el reactivo de Fenton es una mezcla de

peróxido dehidrógeno e ion ferroso (Fe2+) que producen el radical libre hidroxilo (HO.)y el ion férrico (Fe3+). El radical libre hidroxilo es la especie oxidanteprimaria formada por la descomposición del peróxido de hidrógeno catalizada por Fe2+ en ausencia de agentes quelatantes del ion ferroso. El radical libre hidroxilo es el segundo agente oxidante después del flúor (HO., Eo= -2,8 V vs. flúor, Eo= -3,0 V), y es capaz de realizar oxidaciones no específicas de algunos compuestos orgánicos. Cuando se genera una concentración suficiente de radical libre hidroxilo y otros radicales, las reacciones de oxidación de los compuestos orgánicos pueden llegar hasta una total mineralización 1,9,10.

Page 7: Tratamientos avanzados de AR

Esta

reacción se

realiza

sin la presencia

de radiación

ultravioleta;

recientemente se ha demostrado que el poder oxidante de la reacción deFenton puede ser incrementado significativamente empleando radiación ultravioleta ó ultravioleta/visible (reacción de Fotofenton) 1, lo cual ha generado estudios para descomponer una gran cantidad de compuestos refractarios1, 9-11; el reactivo de Fenton es una mezcla de peróxido de hidrógeno e ion ferroso (Fe2+) que producen el radical libre hidroxilo (HO.)

y el ion férrico (Fe3+). El radical libre hidroxilo es la especie oxidante

primaria

formada

por la descomposición

del peróxido de hidrógenocatalizada por Fe2+ en ausencia de agentes quelatantes del ion

ferroso. Elradical libre hidroxilo es el segundo agente oxidante después del flúor(HO., Eo= -2,8no específicas concentración

V vs. flúor, Eo= -3,0 V), y es capaz de realizar oxidacionesde algunos compuestos orgánicos. Cuando se genera una suficiente de radical libre hidroxilo y otros radicales, las

reacciones de oxidación de los compuestos orgánicos pueden llegar hastauna total mineralización 1,9,10.

Page 8: Tratamientos avanzados de AR

MATERIALES Y METODOS

Para el desarrollo experimental del presente trabajo, se empleó una de las tecnologías de oxidación avanzada basada en la utilización de una

Lámpara de luz ultravioleta, la cual posee una Cámara donde se hace pasar el afluente del agua residual, allí se realiza la irradiación del agua Contaminada con los rayos de luz ultravioleta. Tambiéncontaba, con una cuba de vidrio que servía de reservorio para el almacenamiento de la muestra de agua; además, de una bomba sumergible para realizar la recirculación del agua residual por la lámpara de luz ultravioleta. El sistema de fotocatálisis homogénea se trabajó con un caudal de 0,05 L/s, y con un pH de la solución de 3,0. Se utilizó una concentración inicial de 250 mg/L del pesticida Mertect, concentración típica de las descargas de los desechos líquidos de la industria bananera. La degradación de éste se determinó mediante el empleo de la espectrofotometría UV/Visible.

Page 9: Tratamientos avanzados de AR

Se adicionó la concentración de catalizador (Hierro III)y agente oxidante (peróxido de hidrógeno) correspondiente a la combinación experimental que se consigna en la tabla 1.

Page 10: Tratamientos avanzados de AR

Resultados

En la gráfica 1 se muestran de forma comparativa los porcentajes dedegradación del Mertect de acuerdo con las combinaciones quepresenta el diseño experimental donde se variaban las

Deun

concentraciones del hierro (III) como del peróxido de hidrógeno.esta forma se puede identifica que el pesticida Mertect escontaminante medianamente fotoactivo, debido a que en el procesode fotólisis realizado, el cual corresponde a la combinación de 0mg/L de hierro y 0 %v/v de peróxido de hidrógeno. En estainvestigación seAlcanzaron remociones del 49,3% del pesticida.

Page 11: Tratamientos avanzados de AR
Page 12: Tratamientos avanzados de AR

Se observó que el pesticida Mertect obtiene porcentajes dequeremoción altos para las combinaciones experimentales

representan oxidaciones químicas, mediante el empleo de agentesoxidantes, como es el caso de peróxido de hidrógeno encombinaciones de 0 mg/L de hierro (III) y para las concentracionesde 1 %v/v y 2 %v/ v de peróxido de hidrógeno, para la cuales se obtiene una remoción del 98,6% y 98,7% respectivamente, estosson los mayores porcentajes de remoción obtenidos en estainvestigación.

En la gráfica 1, también se observa que los procesos dedegradación fotoquímicos, donde se combinaron diferentesconcentraciones de catalizador (entre 25 y 50 mg/L de hierro III) yagente oxidante (1 y 2% v/v), obtuvieron altos porcentajes de remoción del pesticida Mertect; por lo cual se puede concluir que los procesos fotoquímicos son adecuados para la remoción de este. El mayor porcentaje se presenta para la combinación de 50 mg/L de hierro (III) y una concentración de 1 %v/v de peróxido de hidrógeno con una remoción del 95,6%.

Page 13: Tratamientos avanzados de AR

A medida que se prolonga el tiempo de exposición e irradiación del pesticida,se incrementa el porcentaje de remoción del mismo, debido al intervalo detiempo en el cual se desarrollan las reacciones de oxidación y reducción decompuestos en los procesos de oxidación avanzada.

Se realizó el análisis estadístico de los datos experimentales, empleando paraello un ANOVA, se encuentra que cada uno de los factores (agente oxidante y peróxido de hidrógeno), y cada una de sus interacciones dobles tienen una variación significativa en la variable respuesta, es decir en el porcentaje de remoción del pesticida (Tabla 2). Por lo tanto, los resultados obtenidos del modelo empleado, sirven para explicar la degradación del pesticida Mertect de acuerdo a los factores definidos.

Page 14: Tratamientos avanzados de AR

En las gráficas 2 y 3 se observa el método utilizado para identificar lasdiferencias significativas de Fisher (LSD), en donde se tiene que para la interrelación entre el catalizador hierro (III), se presentan dos diferenciassignificativas entre los niveles50 mg/L de hierro (III). Por estadísticamente significativas

experimentales de 0 a 50 mg/L y de 25 alo tanto, se muestran unas diferencias a un nivel de confianza 95,0%.

Page 15: Tratamientos avanzados de AR

DISCUSION

Se observa como los procesos avanzados de oxidación, en este caso, lareacción de fotofenton, es una tecnología apropiada para lograr la degradación de pesticida Mertect, y de esta forma, alcanzar la disminución de los impactos negativos que éste genera en las regiones donde se emplea como pesticida para el control de las enfermedades en la corona, del cuello y de los dedos del banano y plátano.

Se identifica la mediana fotoactividad del pesticida, y se evidencia que el empleo de peróxido de hidrógeno y el hierro (III) favorecen las reacciones de degradación del mismo; esto último se comprueba de acuerdo al análisis estadístico del ANOVA y las medias e intervalos de confianza del 95% de LSD, en donde se encuentran diferencias significativas entre los diferentes niveles de los factores y entre ellos mismos.

Page 16: Tratamientos avanzados de AR

Adicionalmente, se encontró que el pesticida Mertect puede ser eliminadode un

aforma

eficiente,

mediante la

oxidación

química

con agentesoxidante

so empleand

oprocesos

fotoquímicos,

los cuales

alcanzanporcentajes de

remoción superiores al 90%

de éste, lo que, sin lugar

a dudas contribuye conel mejoramiento de la calidad de vida de las comunidades

circundantes alos sistemas agrarios de producción y exploración bananera, y al desarrollo de tecnologías de producción más limpia y a la competitividad del sector.

Page 17: Tratamientos avanzados de AR

TRATAMIENTO

DECONTAMINANT

ESORGÁNICOS

POR

FOTOFENTO

NCON

LUZARTIFICIA

L

Page 18: Tratamientos avanzados de AR

INTRODUCCIÓNLas aguas residuales que generan los laboratorios químicos tienengran

cantidad

de residuos

orgánicos, biológicos e

inorgánicos,generados estos por diferentes análisis. Muchos de estos

residuosson vertidos al alcantarillado sin ningún tratamiento o solo con neutralización, situación que puede llegar a deteriorar las redes de alcantarillado e impactar negativamente las aguas receptoras donde finalmente son dispuestos. Los procesos avanzados de oxidación(PAO) que involucran la generación in situ de

radicales hidroxilosha

ntomado

importancia

por sus

posibles

aplicaciones

en ladescontaminaci

ónde agua

sresiduales. Este

radical puede

sergenerado

por(ultravioleta, (lámparas de

medios fotoquímicos usando como fuente la luz solarvisible)

o fuentes artificiales

de luz ultravioletamercurio o xenón), y posee alta efectividad

para laoxidación de materia orgánica.

Page 19: Tratamientos avanzados de AR

OBJETIVO La investigación que da lugar a este escrito fue

minimizar elefecto contaminante de los residuos líquidos orgánicos solublesy medianamente solubles generados en los laboratorios delCentro

de Laboratorios de

la Universidad

de Medellín(Medellín

,Antioquia,

Colombia),

por medio

de laluzfotodegradaci

ónsensibilizada

(foto-fenton),

usandoartificial como fuente de

radiación..

Page 20: Tratamientos avanzados de AR

MATERIALES Y MÉTODOS Reactivos del proceso foto-fenton

El radical OH‡fue generado in situ, por la adición de peróxido de hidrógeno, H2O235% (V/V) y sulfato ferroso, FeSO4 , 99.5% en solución acuosa.Adicionalmente, en el proceso se empleó ácido sulfúrico y óxido de manganeso(MnO2 ).

Foto-reactor. Lámpara de mercurioLos

diferentes

ensayos de

foto-fenton

que

se realizaron

con

radiaciónartificial se hicieron con una

lámpara deUltraviolet®, modelo MP36B, la cual está

mercurio de rodeada por

baja presión Atlantic una carcasa de aceroinoxidable, con una

entraday salid

ade agu

ay co

nuna capacidadvolumétrica de 7 L. El tubo de la lámpara es de 86 cm de largo y

1.5 cm dediámetro y la salida máxima es de 38 watts. UV monocromática a una longitud de onda

La lámpara tiene una radiación de 254 nm. El sistema incluyeademá

sun tanque

de almacenamiento,

una

bomba

de recirculaciónsumergible y un sistema de agitación, para garantizar la

homogeneización y la turbulencia para proveer oxígeno disuelto en la solución. En las figuras 1se puede observar un diagrama de flujo del sistema foto-reactor.

Page 21: Tratamientos avanzados de AR

Diagrama de flujoreactor.

del sistema,

foto-

En el tanque de mezclase homogeneizó y recirculó el agua residual a un caudal de 80 mL/s pasando por lairradiación UV. Lasmuestras fueron tomadas en el efluente de la lámpara cada hora.

Page 22: Tratamientos avanzados de AR

Imagen del Sistema fotocatalítico

Page 23: Tratamientos avanzados de AR

AnálisisEl carbono orgánico total (COT) fue determinado con un analizador Shimadzu TOC – VCHP. La demanda química de oxígeno (DQO [mg/L] O2 ) se midió con el método colorimétrico a reflujo cerrado con unespectrofotómetro spectronic 601

Milton Roy. El consumo de peróxidode hidrógen

ofue determinad

opor titulació

nyodométrica

y lademanda bioquímica de oxígenoWinkler APHA-AWWA-WPCF, 2005.

(DBO5 ) se realizó por el método

Page 24: Tratamientos avanzados de AR

Eliminación del peróxido de hidrógeno

Se utilizó óxido de manganeso para eliminar el peróxido de hidrógenoquedó sin reaccionar en las muestras, como lo indica la reacción 3.

que

Se tomaron 25 mL de la muestra y se le adicionaron aproximadamente 0.5de MnO2 , se agitó magnéticamente por 15 minutos hasta desaparición de burbujas y se filtró con papel de filtro de 0.45 Pm. Se verificó la ausencia del peróxido de hidró- geno, por medio de titulación yodométrica.

g

Biodegradabilidad de la muestra tratada

Se usó el test de Zanh-Wellens como indicador de la biodegradabilidad de la muestra; esta fue evaluada a dos concentraciones de COT, 47 y 16 mg/L.

Page 25: Tratamientos avanzados de AR

Determinación de las concentracionesóptimas para la fotodegradación Para encontrar las concentraciones óptimas de Fe2+ y H2O2 enla degradación

delos compuestos orgánicos, se trabajó eldiseño de experimentos factorial en tres niveles. Las

variablesde entrada fueron

la concentración

de hierro

y laconcentración de peróxido de hidrógeno. El pHal igual que la concentración inicial del COT a concentraciones de Fe variaron entre 5 y 50H2O2 entre 200 y 500 mg/L.

se fijó en 2.8,100 mg/L. Las mg/L y las de

Page 26: Tratamientos avanzados de AR

Metodologíafenton

experimental de foto-

A la muestra

a tratar

se le ajustó

el pH en todos los

experimentos de

foto-fenton a 2.8 para evitar la formación dehidróxido

sse utilizó tanque de

de hierro que se precipitarían en el medio. Para ello,una solución de ácido sulfúrico 2 N. Se añadió al mezcla la cantidad necesaria de ácido y se recirculó

el agua

por todola

el sistema

durante

15

minutos

parahomogeneiz

arcomprobó que2.8, se añadió

solución. Transcurrido

este

tiempo

sedeen

el pH del agua fuera el correcto. Con el pHal tanque el hierro necesario en cada caso

forma

de solución

concentrada

de sulfato

ferrosoheptahidratado (FeSO4‡7 H2O), para realizar las

experienciascon foto-fenton.

Page 27: Tratamientos avanzados de AR

Se

esperó

nuevamente

15

minutos

para

que

se

homogeneizara

la concentración.

El último

reactivoqu

ese adicion

óal sistem

a(tanque

de mezcla

quecontiene la

soluciónacidulada con el

agua residual yla sal de Hierro)

,fue el H2O

2el cual, en

cadaexperimento,garantizar la

fue analizado

permanentemente

paracantidad

suficientedey

este

reactivodurant

ela reacció

nfenton

foto-fenton.

la solución, y

Posteriormente, se hizo recircular todase dio inicio al proceso fenton (en la oscuridad); luegode 6

0minutos

de recirculación,

se encendió

lalámpara, dando inicio a la reacción foto-fenton.

Page 28: Tratamientos avanzados de AR

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

CARACTERIZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL

Al realizar la caracterización de las aguas residuales se encontraron los siguientes valores (tabla 1)

Page 29: Tratamientos avanzados de AR

En la tabla

1 se muestran las

concentraciones

halladas de

algunos

parámetros fisicoquímicos de esta agua residual, donde se encontró unagua ácida con una carga considerable de materia orgánica e inorgánica. Adicionalmente, puede decirse que en el agua residual hay poca presencia de cloruros y ninguna de nitritos y nitratos.

Con respecto al nitrógeno amoniacal, se evidencia una alta concentración,

asociada

a la presencia

de compuestos

nitrogenados. Asimismo,

laexistencia de un pH de 3.53, hizo necesaria2N, con el fin de disminuir este valor y hidróxidos de hierro.

la adición de ácido sulfúricoevitar así la formación de

Page 30: Tratamientos avanzados de AR

Proceso foto-fenton con el aguaresidual

Inicialmente se realizaron ensayos de fotólisis para comprobar el comportamiento de la mezcla a la longitud de onda de 254nm que tiene la lámpara utilizada y se comprobó que fue mínimo el efecto de esta sobre el contenido orgánico de la solución, por lo tanto, se puede decir que no se presenta fotólisis (figura 3).

Igualmente se realizaron ensayos con fenton, y se observóligera disminución en el COT de aproximadamente el 20% en

una

500los

minutos

de tratamiento.

La figura

3 comparacomportamientos de la fotólisis, fenton y foto-fenton y a

partirde ella se puede

ver claramente el

comportamiento

deltratamiento foto-fentondonde se evidencia que ocurre muy rápidamente

con respecto a la fotólisis

al fenton,la mineralización de los

contaminantesen 180 minutos.

Page 31: Tratamientos avanzados de AR

Efecto de la concentración desal de hierro

la

Se ha demostrado que la cantidad de hierro necesariapara realizar óptimamente la degradación está en el

rango

de unas pocas

decenas

de mg/L [6-8].Losresultado

s(figura 4)radiación

de los ensayos de fotodegradación realizadosmostraron que al inicio del tratamiento sin(proceso

fenton), la

mezcla presentó

unaligera mineralización, que es mayor con 27.5

mg/L dehierro. En el momento en que se dio inicio al procesofoto-fenton

el carbono

orgánico

total (COT)

en lamezcla disminuyó rápidamente hasta los 150

minutos detratamiento con un 80 % de mineralización.

Page 32: Tratamientos avanzados de AR

Efecto de la concentración deperóxidode hidrógeno La figura 6 muestra cómo con la adición de

peróxido de hidrógeno aumenta la velocidad de mineralización, siendo más efectiva la concentración de 300 mg/L de H2O2.

Page 33: Tratamientos avanzados de AR

Biodegradabilidad de la muestratratada

Una característica importante de analizar en las aguas tratadas es su biodegradabilidad con el test de Zanhs Wellens, cuyo objetivo es evaluar el potencial de la biodegradabilidad final de sustancias orgánicas no volátiles y solubles en agua cuando se exponen a una concentración relativamente alta de microorganismos.

En este ensayo, las muestras se mezclan con medio mineral y con una cantidad relativamente alta de biomasa o lodos activos en una solución acuosa que es agitada y aireada (para asegurar una concentración de oxígeno disuelto), entre 20 y 25º C en la oscuridad o bajo luz difusa durante un período de 28 días; además se preparan varios blancos (dependiendo de las diferentes cantidades de biomasa adicionada) que sólo contienen lodos activos y medio mineral en agua destilada.

La biomasa se preparó con una muestra fresca de lodos activos procedentes de la Planta de Tratamiento de Agua Residual (PTAR) de San Fernando de las Empresas Públicas de la ciudad de Medellín, la cual se dejó reposar durante 30 minutos y se eliminó luego el sobrenadante. Las bacterias decantadas se centrifugaron durante 3-5 minutos a unas 1000-1500 rpm. Se resuspendió la biomasa en agua mineral por agitación. Por último se volvió a centrifugar, se eliminó el sobrenadante y quedó la biomasa lista para pesarse y mezclarse con la muestra correspondiente.

Page 34: Tratamientos avanzados de AR

idad (ecuación 5).

El medio mineral corresponde a compuestos quesirven como nutrientes para la biomasa, los cuales corresponden a la mezcla en agua desionizada de sustancias como KH2PO4, K2HPO4, Na2HPO4.2H2O, NH4Cl, CaCl2, CaCl2.2H2O. , MgSO4.7H2O y FeCl3.6H2O La degradación biológica se sigue mediante la medición del COT a diferentes intervalos de tiempo.

La razón del COT después de cada intervalo de

tiempo, con respecto al valor tomado tres horas30 minutos después del comienzo del ensayo, se expresa en forma de porcentaje de biodegradabil

y

Page 35: Tratamientos avanzados de AR

Tratamiento de Agua Residual (Puestra la figura 9.

D t es el porcentaje de biodegradación medido en el intervalo detiempo t; C A es la concentración (mg/L) de COT en la suspensión medido después de 3 horas y 30 minutos de incubación; t es la concentración (mg/L) de COT en la suspensión a tiempo t; C BA es la concentración (mg/L) de COT en los blancos medidos después de3 horas y 30 minutos de incubación; C B es la concentración (mg/L)

de COT en los

blancos a tiempo t. Aquellos contaminantes cuyoporcentaj

ede biodegradaci

ónsupera

el 70%

son

consideradosbiodegradable

s(máximo 28) enPlanta de como lo m

despuéscontacto

decon

unlos

determinadolodos activos

TAR)

número

de díasprocedentes de

lade San

Fernando,

Page 36: Tratamientos avanzados de AR

CONCLUSIONES

El tratamiento con foto-fenton con radiación artificial

es viable para depurar las aguas residuales con compuestos orgánicos solubles en agua, provenientes del laboratorio químico.

Las concentraciones que mineralizan en menor tiempo

el agua tratada son 27.5 mg/L de Fe y 300mg/L de H2O2

Las aguas tratadas en esta investigación con el

proceso foto-fenton son biodegradables.