Biodegradación del papel higiénico

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(1)BIODEGRADACIÓN DEL PAPEL HIGIÉNICO. LINA MARÍA LADRON DE GUEVARA RANGEL. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. 2006.

(2) BIODEGRADACIÓN DEL PAPEL HIGIÉNICO. LINA MARÍA LADRON DE GUEVARA RANGEL. PROYECTO DE GRADO. ASESOR INGENIERO MANUELS. RODRÍGUEZ SUSA, Ph.D.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. 2006.

(3) Dedico este proyecto de grado a mis padres y a la memoria de Yensy Sefany Rodríguez.

(4) AGRADECIMIENTOS A Dios por todas las oportunidades que me ha dado en la vida, entre esas, poder desarrollar este proyecto de grado. A mis padres Alvaro G. Ladron de Guevara y Myriam Rangel quienes son mi constante apoyo. A el profesor Manuel Rodríguez quién desde un principio creyó en el proyecto. A la profesora Isabel Raciny y el profesor Jaime Plazas, quienes me ayudaron a encontrar información fundamental para el proyecto. Al profesor Luis Alejandro Camacho, quien en su primera clase de modelación nos contó que este tipo de proyectos necesitan ser realizados. A Carolina Lara y a Beatriz Abadía Serna, jefe del laboratorio de nutrición animal de CORPOICA Tibaitatá, quienes muy amablemente me explicaron el método FDA A la instructora de MATLAB y quienes me ayudaron a tomar las fotos. A los colaboradores de la empresa de Papeles Nacionales SA. A todos los colaboradores del CITEC, por ayudarme en cada cosa que necesité en los días que hacia los múltiples ensayos de laboratorio. Al departamento de ingeniería Civil y Ambiental, quienes han apoyado este proyecto. A la Universidad de los Andes por la educación que me ha dado. A todos aquellos que se enteraron de este proyecto y, aunque les daba risa pensar que el proyecto busca la constante de decaimiento del papel higiénico, me apoyaron..

(5) INDICE. 1. INTODUCCIÓN ......................................................................................................................... 1 2. ASPECTOS GENERALES........................................................................................................ 2 2.1 Celulosa ............................................................................................................................... 2 2.2 Lignina ................................................................................................................................. 4 2.3 Algodón................................................................................................................................ 6 3. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................................... 7 4. ALCANCE.................................................................................................................................. 8 5. OBJETIVOS .............................................................................................................................. 9 6. METODOLOGÍA...................................................................................................................... 10 6.1 Equipos y Reactivos .......................................................................................................... 11 6.2 Tipos de ensayo ................................................................................................................ 13 6.3 Análisis............................................................................................................................... 15 7. RESULTADOS ........................................................................................................................ 18 7.1 Resultados de laboratorio.................................................................................................. 18 7.1.1 Color .......................................................................................................................... 18 7.1.2 Temperatura y pH...................................................................................................... 19 7.1.3 Volúmenes extraídos................................................................................................. 20 7.1.4 Sólidos ....................................................................................................................... 20 7.1.5 Porcentaje de CLC .................................................................................................... 21 7.1.6 DQO........................................................................................................................... 23 7.1.7 Ensayo elemental ...................................................................................................... 25 7.2 Carga de papel higiénico (Wph) ........................................................................................ 25 7.2.1 Wph de acuerdo a la CPPC ...................................................................................... 26 7.2.2 Wph de acuerdo a la estimación hecha por Friedler et al......................................... 26 7.2.3 Wph de acuerdo a la empresa de Papeles Nacionales SA. ..................................... 27 8. ANÁLISIS ................................................................................................................................ 29 8.1 Temperatura y pH.............................................................................................................. 29 8.3 Sólidos ............................................................................................................................... 30 8.4 Porcentajes de CLC........................................................................................................... 32 8.5 Concentración de CLC ...................................................................................................... 34 8.6 Orden de la reacción y constante de decaimiento ............................................................ 37 8.7 Ensayos de DQO............................................................................................................... 39 8.8 Ensayo elemental y producción de gases ......................................................................... 40 9. CONCLUSIONES.................................................................................................................... 44 10. RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 46 11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................... 47 11. ANEXOS................................................................................................................................ 49 11.1 Método CLC. Determinación fibra en detergente ácido .................................................. 49 11.2 Método de reflujo cerrado................................................................................................ 50 11.3 Glosario............................................................................................................................ 52 11.4 Galería de fotos ............................................................................................................... 53.

(6) INDICE DE TABLAS Tabla 1. Producción, exportación, importación y consumo aparente de papel higiénico y faciales en Colombia entre los años de 1998 y 2005 [1]............................................................................ 1 Tabla 3. Equipos para el ensayo de CLC. .................................................................................. 11 Tabla 5. Reactivos para el ensayo de CLC................................................................................. 12 Tabla 7. Equipos y reactivos necesarios para los ensayos de DQO. ......................................... 12 Tabla 9. Consumo diferenciado de agua según la EAAB........................................................... 15 Tabla 11. Perfiles de temperatura y pH (día 42 del experimento). ............................................. 19 Tabla 13. Cambio del volumen en los reactores......................................................................... 20 Tabla 15. Material sólido de los reactores antes de añadir el papel higiénico. .......................... 21 Tabla 17. Material sólido de los reactores después de añadir el papel higiénico....................... 21 Tabla 19. Ensayos de CLC en algodón, PH y agua residual de los reactores 1 y 2 .................. 22 Tabla 21. Ensayos de CLC para los reactores entre el 17 de abril y el 9 de junio de 2006....... 22 Tabla 23. Ensayos de CLC en muestras de algodón paralelos a los ensayos de CLC de los reactores 1 y 2, entre el 20 de abril y el 9 de junio de 2006. ...................................................... 23 Tabla 25. Resultados de los ensayos de DQO de los reactores. ............................................... 24 Tabla 27. Resultados de los ensayos de DQO del papel higiénico. ........................................... 24 Tabla 29 Resultados del ensayo elemental ................................................................................ 25 Tabla 31. Pesos de rollos de papel higiénico.............................................................................. 27 Tabla 33. Temperatura y pH en distintos puntos del río Bogotá [5]............................................ 30 Tabla 35. Puntos seleccionados ................................................................................................. 32 Tabla 36. Ecuaciones de las regresiones lineales asociadas el reactor 1. ................................ 35 Tabla 38. Ecuaciones de las regresiones lineales asociadas el reactor 2. ................................ 36 Tabla 40. Errores asociados al cálculo de las concentraciones ................................................. 37 Tabla 42. Datos usados para determinar el orden de la reacción .............................................. 37 Tabla 44. Contenido de CHONS del papel higiénico .................................................................. 40.

(7) INDICE DE GRÁFICAS Gráfica 1. Perfiles de temperatura en el reactor 1 (R1) y en el reactor 2 (R2) ........................... 29 Gráfica 2. Perfiles de pH en el reactor 1 (R1) y en el reactor 2 (R2) .......................................... 29 Gráfica 3. Perfil del material sólido extraído para el desarrollo del método FDA ....................... 31 Gráfica 5. Cambio del porcentaje de CLC en el tiempo.............................................................. 33 Gráfica 6. Resultados de los ensayos de CLC en las muestras de algodón.............................. 33 Gráfica 8. Concentración de CLC en el tiempo, reactor 1. ......................................................... 34 Gráfica 10. Concentración de CLC en el tiempo, reactor 2. ....................................................... 35 Gráfica 12. Ensayos de DQO en muestras de papel higiénico................................................... 39. INDICE DE FOTOS Foto 1. Campo de algodón [18]..................................................................................................... 6 Foto 2. Reactor 1......................................................................................................................... 13 Foto 3. Reactor 2......................................................................................................................... 13 Foto 4. Reactor 1 a la derecha, reactor 2 a la izquierda............................................................. 13 Foto 5. Papel higiénico mezclado y picado................................................................................. 14 Foto 6. Mezclador y picador del papel. ....................................................................................... 14 Foto 7. Marcas de papel higiénico usadas.................................................................................. 14 Foto 8. Reactor 1, miércoles 5 de abril. ...................................................................................... 19 Foto 9. Reactor 2, miércoles 5 de abril. ...................................................................................... 19 Foto 10. Montaje de laboratorio. Estufa, Sistema de filtrado, tubos de reflujo y balanza analítica, de izquierda a derecha................................................................................................................ 53 Foto 11. Muestras de sólidos. R1 y R2, de izquierda a derecha. ............................................... 53 Foto 12. Muestras de sólidos. R1 y R2, de izquierda a derecha. ............................................... 53 Foto 13. Montaje. Reflujo. R1, R2, algodón. ............................................................................... 53 Foto 14. Montaje. Desecador. ..................................................................................................... 53 Foto 15. Espectrofotómetro y Digestor DQO. ............................................................................. 54 Foto 16. termómetro y medidor de pH. ....................................................................................... 54 Foto 17. Muestras de celulosa. R1 sin papel, Algodón, R1 con papel, Vaso sin muestra. ........ 54 Foto 18. Papel higiénico picado de las nueve marcas compradas............................................. 54 Foto 19. Muestras de los reactores, R1 y R2, de izquierda a derecha....................................... 54 Foto 20. Tubos de DQO. Blanco, R1,R2,papel higiénico, de izquierda a derecha..................... 54.

(8) IAMB 200610 05. 1. 1. INTODUCCIÓN El papel higiénico se usa en nuestra cultura occidental desde hace décadas y su producción (Tabla 1) en Colombia incrementa con el transcurrir de los años [1]. Adicionalmente su disposición final varía de acuerdo a las costumbres de cada familia u organización social. En la ciudad de Bogotá el papel higiénico tiene dos destinos principales una vez este es usado. El primero: el Relleno Sanitario Doña Juana, y el segundo: el río Bogotá. ¿Cómo se puede saber qué destino final impacta menos al medio ambiente? Para responder esta pregunta es importante conocer a qué tasa se degrada el papel higiénico en condiciones similares a las que se dan en un río o en un relleno. Dado el estado de los ríos integrados a Bogotá así como aquellos asociados a grandes asentamientos humanos en Colombia, es claro que hay una mayor urgencia por conocer cómo se desarrollan los residuos en los ríos antes que en los rellenos sanitarios. El censo del año 2005, realizado por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE) [2], mostró que en la ciudad de Bogotá, para ese año, habían alrededor de 6’900,000 personas. Debido a las costumbres de los habitantes de Bogotá, la mayoría de estas personas hacen uso del papel higiénico provocando los correspondientes residuos.. Tabla 1. Producción, exportación, importación y consumo aparente de papel higiénico y faciales en Colombia entre los años de 1998 y 2005 [1].. Papel higiénico y faciales Toneladas en el primer semestre de cada año Año. Producción. Importación. Exportación. Consumo aparente. 1998a. 128,495. 9,940. 14,691. 123,644. 1999. 62,735. 1,347. 5,346. 58,736. 2000. 63,038. 2,674. 5,436. 60,276. 2001. 64,483. 5,357. 7,831. 62,009. 2002. 72,035. 3,761. 9,207. 66,589. 2003. 79,867. 5,882. 17,307. 68,442. 2004. 84,708. 6,119. 9,595. 81,232. 2005. 90,214. 9,344. 22,235. 77,323. a. Incluido el segundo semestre del año 1998. Por otra parte en los últimos años el mercado de papel higiénico ha traído consigo una mayor variedad del producto, de tal forma que hoy en día es posible encontrar muchas clases de papel higiénico. Actualmente se puede comprar en la mayoría de los almacenes de Bogotá marcas que ofrecen papel doble hoja, triple hoja, con extracto de aloe vera, para pieles delicadas, ecológicos y hasta húmedos, entre otros..

(9) IAMB 200610 05. 2. 2. ASPECTOS GENERALES El papel higiénico por ser un producto derivado de las plantas o del papel reciclado básicamente está compuesto de Celulosa, Lignina y Cenizas (CLC). Su uso depende de varios factores como la hora del día, si es un día en fin de semana o es un día hábil o del sexo de quien lo usa [3]. Algunos cálculos muestran que en promedio una persona gasta 7g de papel higiénico al día; sin embargo, se cree que las mujeres gastan un poco más y los hombres un poco menos [3]. Así mismo, la carga de papel higiénico depende de la hora del día de tal forma que en las horas de la mañana es cuando se dispone más papel higiénico en el sistema de alcantarillado. Por otra parte, cuando el papel higiénico alcanza la red del alcantarillado, éste se rompe y queda en forma de sólidos suspendidos [4] los cuales tienen una carga asociada de Demanda Química de Oxígeno (DQO), así como otros residuos orgánicos típicos de una red de drenaje. En el caso específico del río Bogotá después del vertimiento del alcantarillado de Bogotá, a la altura de Gibraltar, el agua del río puede alcanzar valores de 800 mg/L de DQO [5]. Adicionalmente, el vertimiento hecho en el punto papeles y molinos sobre el río Bogotá puede alcanzar una DQO del orden de 4200 mg/L [5]. Por otra parte, la descomposición anaerobia del papel higiénico esta gobernada por la Ecuación 1, en la cual se incluye la producción de metano, dióxido de carbono y amoniaco. Ecuación 1 C a H b Oc N d +. (4a − b − 2c + 3d ) H 4. 2. O→. (4a + b − 2c − 3d ) CH 8. 4. +. (4a − b + 2c + 3d ) CO 8. 2. + dNH 3. 2.1 Celulosa El carbohidrato más abundante en la naturaleza es la celulosa y su producción en toneladas es comparable a la producción de acero [6]. Cuando la celulosa no ha sufrido ningún tratamiento químico o mecánico se le conoce como Celulosa I y cuando ha pasado por alguno de estos tratamientos es conocida como Celulosa II. La celulosa, (C6H10O5)n, es el polisacárido estructural del cual se conforma gran parte de la pared celular en las plantas y en especial se encuentra en la pared secundaria de las células vegetales (40-45% celulosa) [7]. Adicionalmente, se reconoce a la celulosa como una molécula muy fuerte y poco reactiva debido a su estructura y a las sub-unidades que la conforman. En las plantas es producida a partir de la membrana celular mientras que algunas bacterias (Acetobacter xylinumm y A. Acetigenum, entre otras) la pueden sintetizar a partir de ciertos carbohidratos. Adicionalmente se ha reportado que la celulosa es producida por algunos invertebrados marinos, hongos y ameboides [8]..

(10) IAMB 200610 05. 3. La celulosa se construye al unir moléculas de celobiosa (Figura 1), y estas son conformadas por glucosa, que es encontrada en los cuerpos vegetales de dos formas. La primer forma de glucosa es α-glucosa y la segunda β-glucosa .La diferencia principal entre las dos formas de glucosa consiste en la posición que adoptan los grupos hidroxilo en los carbonos 1 y 4 de la molécula. Esta diferencia hace que las moléculas conformadas por α-glucosa se usen principalmente para almacenar energía, mientras que las moléculas conformadas por β-glucosa se usan primordialmente para construir la pared celular y así dar soporte a la planta. Se dice que la celulosa se compone de celobiosa más que de glucosa. Esto se debe a que la celobiosa, formada por dos β-glucosas, una rotada 180° con respecto a la otra, es la unidad que se repite en la cadena de la celulosa.. a) α-glucosa. b) β-glucosa. c) celobiosa Figura 1. Sub-unidades de carbohidratos. Hoy en día se reconoce tres clases de celulosa: alfa-celulosa, beta-celulosa y gamma-celulosa. La diferencia fundamental entre estas tres clases de celulosa radica en que la alfa-celulosa es la fracción de celulosa que no se disuelve cuando esta se lleva a una solución de hidróxido de sodio al 17,5%, la beta-celulosa se precipita en la solución y la gamma celulosa queda disuelta. Por otra parte se cree que las cadenas de celulosa, en general, se construyen soportadas por puentes de hidrógeno los cuales, junto con las fuerzas de van der Walls, también sirven para conectar varias cadenas de celulosa entre si. Al conjunto de muchas cadenas unidas de celulosa se le conoce por el nombre de fibrillas. Estas fibrillas pueden estar dispuestas de dos formas, una cristalina y otra amorfa; sin embargo sólo hasta las décadas de los 50s y 60s, por medio de la Microscopía de Transmisión de Electrones (TEM), se observó por primera vez las fibrillas de la celulosa en el Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, Switzerland [9]. La.

(11) IAMB 200610 05. 4. cristalinidad de la molécula de celulosa sirve para establecer la reactividad de ésta [8], y en el caso de la celulosa-I, se puede hallar un índice de cristalinidad (CrI) usando la siguiente ecuación: Ecuación 2. Crl = 1−. ham hcr. Donde ham es el peso de la celulosa amorfa y hcr el peso de la celulosa cristalina. Hay cuatro reacciones principales por medio de las cuales la estructura de la celulosa se ve modificada, estas son: foto-degradación, hidrólisis ácida, oxidación y biodegradación [10]. Sin embargo la celulosa es una molécula difícil de hidrolizar debido a la orientación de los enlaces que unen las glucosas; además entre los segmentos cristalinos hay una distancia muy pequeña, de apenas unos cuantos amgstrom, que dificulta el acceso de los agentes Hidrolíticos. Finalmente cuando la celulosa se hidroliza ésta se reduce a celobiosa y posteriormente a glucosa. En general los procesos de biodegradación de celulosa están restringidos al tipo de organismo (bacterias aeróbicas, bacterias anaeróbicas, hongos) encargado de la degradación; así como también, a las características específicas de los múltiples tipos de paredes celulares que existen en la naturaleza. Además, algunos factores externos como el pH y la temperatura y condiciones aerobias o anaerobias pueden jugar un papel importante en el proceso de la biodegradación de la celulosa. Por otra parte, la tasa de hidrólisis del carbón inerte se estima de 0.075d-1 [11].. 2.2 Lignina “En algunos casos, la lignina es un desperdicio potencial disponible de las industrias de papel”1. Después de la celulosa y la hemicelulosa, la lignina, (C6-C3)n, es la estructura orgánica más frecuente en la naturaleza [12], Figura 2. Esta consiste en un grupo muy variado de polímetros tridimensionales de fenilpropano unidos mediante enlaces C-O-C y C-C [13]. Adicionalmente se sabe que los bloques a partir de los cuales se forma la lignina son tres alcoholes: 4-coumarilo, coniferilo y sinapil. En las angiospermas es común encontrar a los tres tipos de alcoholes mencionados como precursores de lignina; sin embargo, en las gyospermas sólo se encuentran dos de estos: 4coumarilo, coniferilo. Por otra parte, no se encuentra lignina en la pared primaria de las células vegetales y su composición en las paredes secundarias varía entre 15-30% [7]. 1. KHEZAMI et al. Production and characterisation of activated carbon from wood components in powder: Cellulose, lignin, xylan. EN: Powder Technology. Vol. 157, (2005); p 48 – 56..

(12) IAMB 200610 05. 5. lignina Figura 2. Sección hipotética de una lignina en crecimiento [7].. El proceso por el cual la planta comienza a producir lignina es la lignificación, obteniendo como resultado múltiples beneficios para ella misma. Por una parte la lignificación confiere a la planta dureza y estabilidad, por otra parte, este proceso ayuda a evitar la entrada de organismos patógenos a la planta debido a que la lignina es difícil de degradar. Finalmente, posterior al proceso de lignificación la célula muere. Algunos organismos logran degradar la lignina. En el caso de los hongos blancos pútridos las principales enzimas son: Laccasa, lignina peroxidasa y manganeso peroxidasa [14]. Adicionalmente, cuando se inicia el proceso de hidrólisis en la lignina, este va acompañado de la descomposición de la hemicelulosa y celulosa que se encuentran a su alrededor [7], por tal razón cuando el contenido de lignina es grande la tasa de degradación es más lenta. El contenido de carbono, nitrógeno e hidrógeno de la lignina se estima en: (C: 62%, O: 32%, H: 6%) [13]. Sin embargo, a nivel de laboratorio es difícil aislar la lignina en forma pura [12], de manera que los porcentajes de carbono, nitrógeno e hidrógeno pueden variar de manera que se pueden subestimar o sobreestimar..

(13) IAMB 200610 05. 6. 2.3 Algodón Este es un material ampliamente usado la industria debido a sus múltiples cualidades deseables, Foto 1. La fibra del algodón está compuesta en su mayoría por CLC, siendo la celulosa la fracción más representativa entre todas. Múltiples estudios corroboran la notable presencia de celulosa en el algodón. Algunos coinciden en que el contenido de celulosa es mayor al 85% del peso seco de la muestra; cercano al 95% [15] o entre 85-90% [16]. Adicionalmente en un estudio se encontró que solamente el contenido de alfa-celulosa es cercano a 40% mientras que el contenido de lignina es alrededor del 15% [17], y 4% de cenizas; por lo que, en general, se muestra que el contenido de CLC es la mayor parte del porcentaje en peso seco de una muestra de algodón.. Foto 1. Campo de algodón [18]..

(14) IAMB 200610 05. 7. 3. JUSTIFICACIÓN En Colombia, como en otros tantos lugares del mundo, los problemas ambientales han adquirido mucha importancia. Hoy en día las naciones se reúnen por medio de representantes para liderar debates y congresos en los que el medio ambiente y su protección son la idea fundamental y el propósito principal. Hoy el ser humano se enfrenta a múltiples problemas ambientales que requieren del desarrollo de tecnología o de la inversión de ciertos recursos con los cuales no siempre se cuenta. En especial, los ingenieros ambientales son los que de forma directa se enfrentan a problemas ambientales y quienes proponen y llevan a cabo las soluciones; sin embargo, debe surgir una nueva forma de aplicar una vieja idea “En igualdad de condiciones la solución más sencilla es probablemente la correcta”2. Colombia necesita encontrar las soluciones más sencillas a los problemas ambientales. El papel higiénico que es dispuesto en el drenaje urbano no solamente significa una carga de celulosa y lignina (CL) sino que más allá implica el aumento de la demanda de oxígeno en los cuerpos naturales de agua. La solución correcta por ser la más sencilla, no es sobre-diseñar plantas de tratamiento de agua residual debido a las cargas de papel higiénico, es simplemente disponer el papel en una caneca. Sin embargo es importante que existan documentos que a la luz de la ciencia revelen el problema y lo justifiquen como tal. En este sentido, este trabajo intentará acercarse a la constante de decaimiento del conjunto celulosa-lignina y a las cargas máximas de papel higiénico sobre el río Bogotá a la altura de la ciudad de Bogotá.. 2. Navaja de Occam. Principio de parcimonia..

(15) IAMB 200610 05. 8. 4. ALCANCE Este trabajo se propone encontrar cuantitativamente una medida de cómo se degradan dos de las moléculas orgánicas más abundantes en el planeta, la celulosa y la lignina, en un medio acuoso anaerobio generado a partir de agua residual urbana. Adicionalmente, se investigará acerca de la posible carga máxima de papel higiénico, que produzcan los habitantes de Bogotá sobre el río Bogotá. Así mismo se intentará transcribir la carga de papel higiénico a DQO y mediante ensayos de nitrógeno, carbono, oxígeno y azufre totales, se estimará la generación de gases como el metano y del dióxido de carbono entre otros..

(16) IAMB 200610 05. 9. 5. OBJETIVOS. •. Estimar el consumo de papel higiénico por persona.. •. Estimar la carga máxima de papel higiénico que puede aportar la población de Bogotá sobre el río Bogotá.. •. Estimar la carga máxima en DQO que se produciría por la máxima carga de papel higiénico que se pude aportar en el río Bogotá.. •. Encontrar cuál es la producción de agua residual urbana hecha por una persona que vive en Bogotá y así mismo las cantidades relativas provenientes de los diferentes tipos de uso, como lo son el lavado de ropa, y otros.. •. Encontrar el contenido de CLC del papel higiénico.. •. Encontrar la cantidad total de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, y cenizas (CHONSCe) en una muestra de una mezcla de diferentes marcas de papel higiénico.. •. Estimar la producción de metano, dióxido de carbono y amoníaco que se originan en la descomposición anaerobia del papel higiénico.. •. Hallar la constante de decaimiento de la CL en una matriz acuosa; así como también el orden de la reacción..

(17) IAMB 200610 05. 10. 6. METODOLOGÍA El proyecto inició con la respectiva revisión bibliográfica, se buscaron libros y artículos que trataran los diferentes temas relacionados con el proyecto. Entre la información hallada en la primera fase del proyecto, se encontró que las principales moléculas orgánicas del algodón, así como de la madera y de las plantas eran CL en general. Adicionalmente, entre la información recolectada se halló el método de Fibra Detergente Ácido (FDA) elaborado por Van Soest P.J. en 1963 (Anexo 1), en el cual se describe el proceso para extraer el contenido de CL de una muestra. Por otra parte, se pensó que un gran porcentaje del papel higiénico podía esta compuesto por CL. Por lo tanto, se hicieron ensayos experimentales, de carácter preliminar, para determinar el contenido de CL en una muestra de papel higiénico. Sin embargo, también se llevó a cabo el mismo ensayo sobre una muestra de algodón, puesto que en el proceso de la revisión bibliográfica se encontró que la cantidad de CL en el algodón había sido estimada por varios autores. De esta forma, el proyecto desde un inicio buscó exactitud en el desarrollo del método FDA, así, si el resultado de la muestra de algodón coincidía con los resultado hallados en los artículos, los resultados de los ensayos hechos para el papel higiénico serían confiables. Finalmente, se corroboró que un gran porcentaje del papel higiénico es CL. Posteriormente se resolvió la siguiente pregunta ¿cómo estimar la constante de decaimiento del papel higiénico? El proyecto se enfocó desde un principio en el papel higiénico que es dispuesto en la red del alcantarillado. De esta forma, se pensó que lo mejor era intentar simular las condiciones a las que se expone el papel higiénico cuando es depositado en el sanitario y es conducido por el alcantarillado. Se armaron dos reactores completamente herméticos con el fin de evitar la entrada de oxígeno. En el interior se depositó una mezcla especial de agua residual urbana, con la respectiva composición estimada por la EAAB. Adicionalmente, los reactores fueron recubiertos evitando el paso de luz por los lados. Por otra parte, se añadió papel higiénico en cada uno de los reactores, en una cantidad y composición previamente escogidos en un proceso de selección que será descrito en este capítulo. Por último se instalaron dos mezcladores mecánicos, uno a cada reactor, con el fin de mantener la muestra lo más homogénea posible. Con los reactores funcionando, iniciaron los ensayos que determinarían el contenido de CL, lo que incluye el método FDA y un ensayo de sólidos. Los ensayos del método FDA se realizaron cada semana en cada uno de los reactores y en una muestra de algodón. Por otra parte, se desarrollaron unos cuantos ensayos de DQO para observar cómo cambiaba la cantidad de materia orgánica en los reactores con el transcurrir del tiempo. Sin embargo, también se realizaron ensayos de DQO a muestras de papel higiénico que no habían sido añadidas a los reactores porque habían sobrado. De esta forma, se estimó la DQO del papel higiénico que se degradaba en los reactores. Adicionalmente, en un intento por conocer detalladamente la composición de las muestras de papel higiénico usadas en los diferentes ensayos, las últimas muestras que quedaban fueron llevadas a Ingeominas para llevar acabo un análisis elemental con ellas. De esta forma, se podía dar un primer paso en.

(18) IAMB 200610 05. 11. generar un balance de masa que mostrara, preliminarmente, la cantidad de gases que puede ser producida por la degradación anaerobia del papel higiénico. A continuación se encuentran los equipos y reactivos que fueron usados para el desarrollo de la parte experimental de este trabajo. Posteriormente se encontrará el análisis en donde se observan los ensayos que fueron llevados a cabo en la fase experimental, tales como ensayos de temperatura y de DQO, entre otros. Adicionalmente se encuentran los tipos de ensayos en donde se observa cómo se estableció el tipo de reactores a manejar, el tipo de papel higiénico a utilizar y la clase de agua residual que se usó en el experimento. Finalmente se explicará el procedimiento que se siguió para establecer la concentración de papel higiénico en los reactores.. 6.1 Equipos y Reactivos A continuación en la Tabla 2 se encuentran relacionados los equipos que son necesarios para el desarrollo del trabajo experimental, del método FDA, el cual se llevó a cabo para conocer el porcentaje de CLC en las muestras de agua residual con papel higiénico. Ver galería de fotos. Tabla 2. Equipos para el ensayo de CLC.. Equipo. Nota. Cantidad. Reactor. 4.5 L. 2. 100 rpm. 2. Mufla. 105 ˚C. 1. Horno. 60 ˚C. 1. Mezclador. Desecador Beaker. 1 200 mL. 4. Elermeyer. 5. Tubo de digestión. 5. Crisol. 5. Balón de vidrio Pipeta. 1L. 1. 20 mL. 1. Digestor de DQO. 2. Balanza analítica. 1. Agitador. 1. Bomba de vacío. 1. Estufa. 1. Pinza. 1. Garrafones. 2L. 7.

(19) IAMB 200610 05. 12. En la Tabla 3 se encuentran los reactivos necesarios para el desarrollo de 35 ensayos de laboratorio relacionados al método FDA.. Tabla 3. Reactivos para el ensayo de CLC.. Reactivo. Cantidad. Unidades. Papel Higiénico. 60. g. Algodón. 10. g. Agua residual. 12,6. L. Ácido sulfúrico. 112. mL. Bromuro de cetil trimetil amonio. 80. g. Etanol. 0,6. L. 9. L. Agua destilada. Por otra parte, se hicieron ensayos de DQO a cada uno de los reactores y en paralelo a los ensayos de CLC. Adicionalmente, hicieron ensayos de DQO en cinco muestras de papel higiénico (mezclado de varias marcas). Para estos ensayos se requirieron los siguientes reactivos y equipos de la Tabla 4.. Tabla 4. Equipos y reactivos necesarios para los ensayos de DQO.. Equipo. Cantidad. Unidades. Digestor de DQO. 1. -. Tubos de ensayo para DQO. 3. -. Espectrofotómetro. 1. -. Balones de vidrio de 50 mL. 2. -. Balones de vidrio de 100 mL. 5. -. Pipeta. 1. -. 109,2. mL. Papel higiénico. 3. g. Aguar residual urbana más papel higiénico. 36. mL. Agua destilada. 876. mL. Reactivos Reactivo de digestión. Finalmente, se hizo uso de un medidor de pH marca ORION modelo 720a y de un termómetro de mercurio para tomar las lecturas de pH y temperatura en los reactores..

(20) IAMB 200610 05. 13. 6.2 Tipos de ensayo Reactores: se construyeron dos reactores anaerobios con capacidad para 4 L de agua residual más la cantidad de papel higiénico determinada y un volumen para dejar bordes libres y así evitar derrames. Además, estos reactores se mezclaron completamente con la ayuda de dos mezcladores, buscando con esto concentraciones homogéneas en todo el espacio del reactor.. Foto 2. Reactor 1.. Foto 3. Reactor 2.. Foto 4. Reactor 1 a la derecha, reactor 2 a la izquierda.. Por otra parte, los reactores se forraron en papel aluminio permitiendo el ingreso de luz sólo por la superficie o tapa del reactor..

(21) IAMB 200610 05. 14. Obtención del papel higiénico: para construir una muestra de papel higiénico se mezclaron nueve marcas diferentes comúnmente vendidas en Bogotá.. Foto 5. Papel higiénico mezclado y picado.. Foto 6. Mezclador y picador del papel.. La mezcla de papel higiénico entre las diferentes marcas, Foto 7. se hizo así: 1 g de cada marca por 9 g de muestra; es decir, cada marca aporta un 11,11% sobre el 100% de la muestra total. 1. Super Suplex 2. Papel Higiénico Colsubsidio 3. Papel Higiénico Blanco 4. Scott 5. Familia 6. Joya 7. Papel económico 8. Suave 9. Kleenex. Foto 7. Marcas de papel higiénico usadas. Obtención del agua residual: la composición de agua residual que se usó para la construcción de los reactores intentó acercarse, en la medida de lo posible, a la composición de agua residual que ha establecido la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB) para la población de Bogotá y que se encuentra especificada en la Tabla 5. Cabe anotar que el agua que se recogió del sanitario no contenía papel higiénico así como ninguna de las otras. Para la recolección del agua residual, con la que se construyeron los reactores, se hizo uso de siete garrafones plásticos, de 2 L cada uno. De esta forma, dos de ellos se llenaron con el agua.

(22) IAMB 200610 05. 15. del lavado de ropas, dos con el agua del sanitario, dos con el agua del aseo de la vivienda y el agua de la ducha y uno con el agua del lavado de manos. Toda el agua residual provino de un apartamento ubicado en la ciudad de Bogotá y se recolectó en un mismo día. La recolección del agua del lavado de ropa se hizo después de lavar prendas usadas. Así mismo, la recolección del agua del lavado de manos y de la ducha se hizo mientras una persona se bañaba el cuerpo y otra las manos. Para recoger el agua del sanitario, una persona defecó por fuera del sanitario y posteriormente se hizo una dilución en agua del sanitario en los dos garrafones que se tenían para éste propósito. Finalmente, para la recolección del agua del aseo de la vivienda, se trapeó todo el piso del apartamento, limpiando en ciertas ocasiones el trapero con agua en un balde, después ésta misma agua se recogió en su respectivo garrafón y se transportó hacia el laboratorio con las otras muestras de agua. Por otra parte, cuando las muestras del agua residual llegaron al laboratorio éstas fueron mezcladas agregadas, con la misma proporción, a los dos reactores. Tabla 5. Consumo diferenciado de agua según la EAAB. Uso. L d-1 hab-1. Lavado de ropas. 40. Sanitario. 33. Ducha. 30. Lavado de manos. 20. Aseo vivienda. 3. Total. 126. Concentraciones: para determinar las concentraciones en los reactores se propuso 3 experimentos previos, con las siguientes concentraciones de papel higiénico: 1. Se añade a 200 mL de agua destilada 4 g de papel higiénico rasgado. 2. Se añade a 200 mL de agua destilada 2 g de papel higiénico rasgado. 3. Se añade a 200 mL de agua destilada 1 g de papel higiénico rasgado. Posterior mente se llenan los reactores con cada una de las concentraciones mencionadas y se observa si es posible hacer la mezcla homogénea de papel higiénico con el agua residual.. 6.3 Análisis Temperatura: una vez instalados los reactores se les tomó la temperatura un día en intervalos de 3 horas desde las 7 de la mañana hasta las 7 de la noche, con el fin de generar un perfil de temperatura que permitió hacer un análisis más apropiado. Adicionalmente, se tomó tres.

(23) IAMB 200610 05. 16. lecturas de temperatura en tres días, una cada día, con el fin de comparar las lecturas de temperatura en lasos de tiempo mayores a un día. pH: después de iniciados los reactores, se medió el pH en la misma forma en la que se medió la temperatura. Esto con el fin de generar un perfil de pH para cada uno de los reactores, y además, para comparar los resultados con algunos valores típicos de pH de agua residual urbana. Toma de muestras: se tomaron 2 muestras cada semana de 100 mL, por cada reactor, para los ensayos de CLC; así mismo, se tomaron 2 muestras de 2 mL por cada reactor para los ensayos de DQO, cada semana. Ensayos: se hicieron 5 ensayos de CLC iniciales y adicionales a los ensayos de CLC que se hicieron cada semana sobre las muestras de los reactores, estos fueron: Ensayo 1: método FDA para una muestra de algodón. Ensayo 2: método FDA para una muestra de algodón. Ensayo 3: método FDA para papel higiénico antes de mezclar con el agua residual. Ensayo 4: método FDA para agua residual antes de mezclar con papel higiénico del reactor 1. Ensayo 5: método FDA para agua residual antes de mezclar con papel higiénico del reactor 2. Por otra parte, los ensayos de DQO se hicieron, en la medida de lo posible, paralelos a los ensayos de CLC, así: un ensayo de DQO para cada reactor el mismo día que se extrajo la muestra para el ensayo de CLC y un ensayo de DQO para el blanco. Además se hizo 5 ensayos para estimar la DQO del papel higiénico diluyendo aproximadamente 0,1g de papel en 100 mL de agua destilada. Finalmente se contrató los servicios de Ingeominas para determinar la cantidad de CHONSCe, en una muestra que represente la mezcla de papel higiénico que se dispondrá en los reactores. Ensayo paralelo: paralelamente a los ensayos de CLC que se hicieron sobre las muestras obtenidas de los reactores, siempre se realizó el método de FDA a una muestra de algodón con el fin de evaluar el procedimiento y la calidad de los ensayos en el tiempo. Método FDA: El método FDA fue propuesto por Van Soest, P.J. en 1963 (Anexo 1). Sin embargo el método que se llevará a cabo tendrá algunas modificaciones, principalmente debido a la falta de equipos en el laboratorio. Por lo tanto está descrito completamente a continuación: 1. Se Secan 100 mL de muestra proveniente del reactor por 72 horas a 60 ˚C..

(24) IAMB 200610 05. 17. 2. Se muele la muestra seca para conseguir 0,5 g. 3. Se tara un crisol (550 °C por 20 minutos) y luego este se conduce a un desecador por 1 hora y finalmente se pesa. 4. Se prepara la solución de detergente ácida añadiendo 27,7 mL de H2SO4 a 969 mL de agua destilada y finalmente se agrega 20 g de Bromuro de Cetil trimetil amonio (CTAB). Para realizar esta mezcla se debe colocar un balón de vidrio de 1 L en un extractor de gases sobre un agitador. Además, entre el agitador y el balón de vidrio debe haber una cubeta con agua fría, dado que al adicionar ácido al agua se producirá calor. La solución de detergente ácida se que obtiene en éste paso sirve para trabajar con 10 muestras. 5. Se añaden los 0,5 g de muestra que se habían pesado anteriormente en un tubo de digestión. Adicionalmente, se añade 100 mL de la solución de detergente ácida cuidando de lavar posibles partes de la muestra que se haya quedado por las paredes. 6. Se dispone el tubo de digestión en el digestor de DQO y se enciende la máquina teniendo en la cuenta que halla un flujo constante en las mangueras del digestor de DQO. Posteriormente se cuenta 1 hora a partir del momento de ebullición y al final de la hora se apaga el digestor y se deja enfriar por 15 minutos. En este paso es importante evitar la formación de espuma por fuera del tubo de digestión. 7. Se deposita el contenido del tubo de digestión en un crisol de filtrado teniendo cuidado de no derramar muestra. El tubo de digestión se lava con agua destilada caliente (aproximadamente 150 mL) y con etanol para recuperar partes de muestra que se haya quedado adheridas en las paredes. También se recomienda lavar las paredes del crisol con un poco de etanol. Durante éste procedimiento de lavado, el crisol debe estar en la punta de un elermeyer conectado a una bomba de vacío. 8. Se lleva el crisol a una mufla y se deja por 12 h (105 °C). Luego se lleva el crisol con la muestra a un desecador y se deja por 1 h. 9. Se pesa el crisol en una balanza analítica. 10. Se calcula el porcentaje de FDA. Ver Ecuación 15. Ensayo DQO [19]: Para desarrollar este ensayo se siguen los siguientes pasos: 1. Se extraen dos mililitros de muestra de cada reactor. 2. Se añaden a un balón de vidrio aforado de 50 mL. 3. Se agrega agua destilada al balón hasta el aforo y se mezcla bien. 4. Se extrae 2 mL de la dilución y se agregan a un tubo de ensayo para DQO con reactivo de digestión (Anexo 2). 5. Se lleva al digestor de DQO por dos horas. 6. Se deja enfriar y se mide en el espectrofotómetro..

(25) IAMB 200610 05. 18. 7. RESULTADOS A continuación se encuentran los resultados de laboratorio y las estimaciones de la máxima carga de papel higiénico que se puede producir en la ciudad de Bogotá. El inicio del experimento ocurrió el día 17 de abril (día 1 del experimento) que es el día en el cual se hace el primer ensayo de CLC en las muestras tomadas de los reactores. Por otra parte, después de realizar los ensayos de las concentraciones de papel higiénico en agua residual se pensó que la mejor concentración es de 1,5 g de papel higiénico por cada 200 mL de agua residual. Este resultado obedece a dos ideas. Por una parte, si se agrega más papel higiénico, más difícil será mezclarlo en el reactor; por otra parte, si se agrega menos papel higiénico se corre el riesgo de no conseguir suficiente muestra, para el ensayo de CLC, cuando ésta se seque en el horno a 60 °C por 3 días.. 7.1 Resultados de laboratorio A continuación se muestra todos los resultados de laboratorio que incluyen: color, temperatura y pH, volúmenes extraídos, sólidos, porcentajes de CLC en las muestras de los reactores como en las muestras de algodón, DQO de los reactores y del papel higiénico y los resultados del ensayo elemental realizado en una muestra de papel higiénico.. 7.1.1 Color Como se puede observar en la Foto 8 y en la Foto 9, el color del agua residual contenida en los dos reactores, el día que iniciaron los reactores (miércoles 5 de abril), es diferente entre los dos reactores. Adicionalmente, también se puede notar unas manchas blancas de papel higiénico en la superficie. Es posible que esta diferencia en el color de los reactores se deba a la cantidad de materia orgánica añadida a cada uno. En el momento en el que se agregó de manera separada las diferentes muestras de agua residual, se pudo haber agregado más materia orgánica al segundo reactor. Esto en principio se debe a que fue imposible mezclar completamente la materia orgánica dentro de los garrafones en los que se dispusieron las diferentes muestras..

(26) IAMB 200610 05. 19. Foto 8. Reactor 1, miércoles 5 de abril.. Foto 9. Reactor 2, miércoles 5 de abril.. Por otra parte, el olor de los dos reactores en un principio parecía ser el mismo; sin embargo, con el transcurrir del tiempo se empezó a notar un olor más intenso en el reactor 2.. 7.1.2 Temperatura y pH Las mediciones de temperatura y pH hechas el día 29 de mayo (día 42 del experimento) se pueden observar en la Tabla 6. Los resultados de la temperatura, así como también los de pH, muestran estabilidad en el tiempo. La temperatura promedio del primer reactor fue de 17,4 ±1 °C, mientras que la temperatura promedio del segundo reactor fue de 18 ±1 °C. Por otra parte, el promedio del pH registrado en el reactor 1 fue de 9,134 ±0,001 y el del reactor 2 de 9,099 ±0,01. Adicionalmente se puede observar que ambos promedios de pH, y todas las mediciones de pH, son mayores a 7; es decir que el ambiente dentro de los reactores es básico.. Tabla 6. Perfiles de temperatura y pH (día 42 del experimento).. Hora. R. 07:32 1 07:32 2 10:30 1 10:30 2 12:30 1 12:30 2 15:30 1 15:30 2 18:34 1 18:34 2 R: reactor;. T pH °C 17,0 9,110 17,5 9,073 17,0 9,156 17,5 9,077 17,0 9,111 18,0 9,083 18,0 9,145 18,5 9,135 18,0 9,148 18,5 9,126 T: temperatura.. Las mediciones de temperatura y pH hechas el día 2 de junio (día 46 del experimento) en el reactor 1 fueron de 18 ±1°C y 9,100 ±0,001 respectivamente. Por otro lado, las mediciones en el reactor 2 fueron de 18,5 ±1 °C de temperatura y de 9,251 ±0,001de pH. Por otra parte, el día 5 de junio (día 49 del experimento) se midió nuevamente la temperatura y el pH de los reactores. En esta oportunidad, la temperatura y el pH del primer reactor fueron de 9,057 ±0,001 y 18 ±1°C, mientras el segundo reactor tubo una temperatura de 17 ±1°C y un pH de 9,072 ±0,001..

(27) IAMB 200610 05. 20. 7.1.3 Volúmenes extraídos A continuación, en la Tabla 7 se encuentra registrado el cambio del volumen en el tiempo para ambos rectores. Este cambio de volumen se debe a la extracción de muestras para los ensayos de CLC y de DQO. Como se puede apreciar, en ningún momento se alimentaron los reactores, lo cual claramente generó condiciones de ensayo tipo batch en este proyecto.. Tabla 7. Cambio del volumen en los reactores.. Fecha. R. VE. VR. mL. mL. 10/4. 1. 200. 3800. 10/4. 2. 200. 3800. 17/4. 1. 100. 3700. 17/4 2 100 3700 21/4 1 100 3600 21/4 2 100 3600 28/4 1 130 3470 28/4 2 130 3470 05/5 1 104 3366 05/5 2 102 3368 12/5 1 102 3264 12/5 2 102 3266 19/5 1 102 3162 19/5 2 102 3164 26/5 1 102 3060 26/5 2 102 3062 02/6 1 102 2958 02/6 2 102 2960 09/6 1 102 2856 09/6 2 102 2858 R: reactor; VE: volumen extraído; VR: volumen restante.. 7.1.4 Sólidos Con el fin de medir la cantidad de CLC en el agua residual de los reactores, se pesó todo el porcentaje de muestra seca que se obtuvo al llevar al horno 200 mL de agua residual por 72 horas, antes de mezclarla con el papel higiénico, Tabla 8. Se escogió un volumen de 200 ml puesto que representaba un pequeño porcentaje del volumen de los reactores además de ser un volumen que contiene una cantidad suficiente de sólidos secos que se pueden medir en la balanza analítica. El principal resultado muestra que pese a los esfuerzos por obtener agua residual muy similar entre los dos reactores, la cantidad de sólidos es diferente entre los dos reactores. El primer reactor muestra una menor cantidad de sólidos, mientras que el segundo excede la cantidad del primero aproximadamente 0,15 g..

(28) IAMB 200610 05. 21. Tabla 8. Material sólido de los reactores antes de añadir el papel higiénico.. E A B. Fecha. R. M Vaso MS V (mL) Wi (g) Wf (g) W (g) 10/4 1 200 115,4365 116,5055 1,0699 10/4 2 200 103,9589 105,1789 1,2200 E: ensayo; R: reactor; M: muestra; MS: muestra seca; V: volumen; Wi: peso inicial; Wf: peso final; W: peso.. Después de adicionar el papel higiénico a cada uno de los reactores, la cantidad de material sólido en 100 mL desde el día 1 hasta el día 53 del experimento, se puede observar en la Tabla 9. Adicionalmente se escogió un volumen de 100 mL para obtener la muestra puesto que se seca en un tiempo adecuado y el sólido obtenido al final supera los 0,5 g necesarios para el método FDA. Ver galería de fotos, Foto 11, Foto 12 y Foto 19.. Tabla 9. Material sólido de los reactores después de añadir el papel higiénico. E. Fecha. R. Vaso. MS Wi (g) Wf (g) Ws (g) C 17/4 1 103,9571 104,6948 0,7377 D 17/4 2 106,1864 107,2360 1,0496 E 21/4 1 103,9618 104,9944 1,0326 F 21/4 2 106,1886 107,3853 1,1967 G 28/4 1 103,9596 104,9945 1,0349 H 28/4 2 106,1886 107,4590 1,2704 I 05/5 1 103,9606 105,1444 1,1838 J 05/5 2 106,1875 107,4881 1,3006 K 12/5 1 NR NR NR L 12/5 2 NR NR NR M 19/5 1 103,9735 105,0843 1,1108 N 19/5 2 115,4396 116,6904 1,2508 Ñ 26/5 1 157,0331 158,1358 1,1027 O 26/5 2 164,0568 165,2520 1,1952 P 02/6 1 103,9620 105,0660 1,1040 Q 02/6 2 115,4368 116,6401 1,203 R 09/6 1 103,965 104,996 1,0313 S 09/6 2 115,438 116,572 1,1341 E: ensayo; R: reactor; MS: muestra seca; Wi: peso inicial; Wf: peso final; Ws: peso seco de muestra; NR: no hay registro 7.1.5 Porcentaje de CLC Los cinco ensayos iniciales de CLC se pueden observar en la Tabla 10. Los dos ensayos de algodón realizados resultan en porcentajes de CLC muy similares entre 91 y 92%. Adicionalmente el ensayo de papel higiénico muestra un alto contenido de CLC, aunque menor al obtenido en el algodón, y cercano al 82%. Cabe anotar que el ensayo realizado para el papel.

(29) IAMB 200610 05. 22. higiénico fue hecho sobre la mezcla final de las nueve marcas, ya conocidas. Por otra parte, el contenido de CLC en las muestras extraídas de los reactores, antes de añadir el papel higiénico, son similares e inferiores al 1%. Ver galería de fotos, Foto 17.. Tabla 10. Ensayos de CLC en algodón, PH y agua residual de los reactores 1 y 2. E 1 2 3 4 5. Fecha. Muestra. Crisol Muestra CLC Wi (g) Wf (g) W (g) % 11/3 Alg 30,2005 30,6581 0,4999 91,5383 10/4 Alg 30,4288 30,8863 0,5004 91,4269 10/4 PH 31,1355 31,5452 0,4988 82,1371 10/4 AR1 30,5632 30,5658 0,5416 0,4801 10/4 AR2 30,5917 30,5959 0,5071 0,8382 E: ensayo; Wi: peso inicial; Wf peso final; W: peso; Alg: algodón; PH: papel higiénico; AR1: agua residual reactor 1; AR2: agua residual reactor 2.. A continuación en la Tabla 11 se pueden observar los resultados de los ensayos de CLC hechos a los reactores 1 y 2 entre el 17 de abril y el 12 de junio. Estos resultados, última columna de la Tabla 11, varían en el tiempo y siempre son diferentes entre los dos reactores. Es importante notar que los porcentajes del reactor 2 tienden a ser menores a los obtenidos en el reactor 1. Tabla 11. Ensayos de CLC para los reactores entre el 17 de abril y el 9 de junio de 2006.. E 6 7 9 11 13 15 17 18 20 21 23 24 26 27 29 30 32 33. Fecha I 17/4 17/4 21/4 21/4 28/4 28/4 05/5 05/5 12/5 12/5 19/5 19/5 26/5 26/5 02/6 02/6 09/6 09/6. Hora Fecha Hora R M Crisol i f f W (g) Wi (g) Wf (g) 09:45 20/4 08:20 1 0,5005 30,2001 30,4433 09:45 20/4 08:20 2 0,4969 30,5910 30,7993 16:45 24/4 16:00 1 0,5181 30,1997 30,5180 16:45 24/4 16:00 2 0,4935 31,1324 31,3732 14:00 01/5 14:30 1 0,5045 30,5033 30,8003 14:00 01/5 14:30 2 0,5060 30,5639 30,8283 17:00 08/5 18:00 1 0,4963 30,5018 30,7975 17:00 08/5 18:00 2 0,5051 31,1307 31,3951 15:15 15/5 15:00 1 0,5005 31,1350 31,4498 15:15 15/5 15:00 2 0,4990 30,2009 30,4375 12:30 22/5 13:00 1 0,5048 31,1329 31,4276 12:30 22/5 13:00 2 0,5063 30,5046 30,7577 13:00 29/5 14:00 1 0,4947 31,1311 31,4313 13:00 29/5 14:00 2 0,4963 30,5029 30,7469 15:00 05/6 16:00 1 0,4941 31,1351 31,4300 15:00 05/6 16:00 2 0,5021 30,5030 30,7518 15:30 12/6 16:30 1 0,5043 31,4558 31,7637 15:30 12/6 16:30 2 0,4916 30,5636 30,8219 E: ensayo; R: reactor; M: muestra; i: inicial; f: final; W: peso; Wi: peso inicial; Wf: peso final.. CLC % 48,5914 41,9199 61,4360 48,7943 58,8702 52,2530 59,5809 52,3461 62,8971 47,4148 58,3796 49,9901 60,6832 49,1638 59,6843 50,5875 61,0549 52,5427.

(30) IAMB 200610 05. 23. En la siguiente tabla se pueden observar los resultados de los ensayos de CLC al desarrollar el método de FDA sobre muestras de algodón. En la primera columna de la Tabla 12 (EC), se puede ver el ensayo correspondiente de CLC que se hizo en esa misma fecha sobre las muestras extraídas de los reactores 1 y 2. Es claro que los resultados son muy similares entre sí y se encuentran alrededor del 94-95%. Sin embargo, estos resultados difieren un poco frente a los resultados de la Tabla 10, siendo los últimos (Tabla 12) mayores a los primeros (Tabla 10). El cambio entre los resultados de porcentaje de CLC se puede deber a la calidad del detergente ácido, puesto que éste lo había preparado otra persona, diferente a la que preparó el resto del reactivo, aproximadamente tres meses antes de realizarse el ensayo en cuestión.. Tabla 12. Ensayos de CLC en muestras de algodón paralelos a los ensayos de CLC de los reactores 1 y 2, entre el 20 de abril y el 9 de junio de 2006.. EC. E. Fecha. M. Crisol. CLC. W (g) Wi (g) Wf (g) % 6y7 8 20/4 0,5005 31,1325 31,6069 94,7852 9 10 24/4 0,5065 30,5647 31,0493 95,6762 11 12 24/4 0,5046 30,5047 30,9785 93,8962 13 14 01/5 0,4987 30,2003 30,6723 94,6461 15 16 01/5 0,4966 31,1322 31,6036 94,9255 17 y 18 19 09/5 0,4978 30,1976 30,6660 94,0940 20 y 21 22 15/5 0,4999 30,5032 30,9783 95,0390 23 y 24 25 22/5 0,4965 30,1989 30,6668 94,2397 26 y 27 28 29/5 0,5071 30,1963 30,6750 94,3995 29 y 30 31 5/6 0,4927 30,1968 30,6647 94,9665 32 y 33 34 12/6 0,5056 30,0585 30,5363 94,5016 EC, ensayo correspondiente; E: ensayo; M: muestra; W: peso; Wi: peso inicial; Wf: peso final.. 7.1.6 DQO A continuación se muestran los resultados de los ensayos de DQO hechos en el laboratorio para las muestras de agua residual de los reactores 1 y 2. Posteriormente se encuentran los resultados de la DQO, asociada al papel higiénico. 7.1.6.1 DQO reactores En la Tabla 13 se puede observar los resultados de los ensayos de DQO que se hicieron, semanalmente y de forma paralela a los ensayos de CLC, para las muestras extraídas de los reactores. Los ensayos empezaron el día 18 y terminaron el día 53 del experimento, por lo tanto, los primeros ensayos de CLC no tiene un ensayo de DQO relacionado. Es importante observar que los resultados varían con el tiempo de forma que en algunos casos la DQO se multiplica en una semana o bien disminuye en este mismo lapso de tiempo. Ver galería de fotos, Foto 20..

(31) IAMB 200610 05. 24. Tabla 13. Resultados de los ensayos de DQO de los reactores.. E. Fecha Hora R. DQO. mg L-1 35 5/5 16:30 1 5945 36 5/5 16:30 2 6553 37 12/5 15:15 1 15373 38 12/5 15:15 2 11535 39 19/5 12:30 1 8609 40 19/5 12:30 2 8433 41 26/5 13:00 1 NR 42 26/5 13:00 2 NR 43 02/6 15:00 1 6812 44 02/6 15:00 2 9541 45 09/6 15:30 1 11257 46 09/6 15:30 2 10109 E: ensayo; R: reactor; DQO: Demanda Química de Oxígeno, NR: no hay registro. 7.1.6.2 DQO papel higiénico En la Tabla 14, se puede ver los resultados de los ensayos de DQO hechos para 5 muestras de papel higiénico. Las cinco muestras se obtuvieron de la mezcla original de papel higiénico que se adicionó a los reactores. Por otra parte, para obtener el volumen necesario de muestra que requiere el ensayo, se agregó a 100 mL de agua destilada 0,1g de muestra de papel higiénico y posteriormente se extrajo 2 mL de la mezcla.. Tabla 14. Resultados de los ensayos de DQO del papel higiénico.. Ensayo g de Papel Higiénico. Lecturas. Lectura promedio Desviación Estándar mg/L Promedio mg/L máximo mg/L mínimo g DQO/ g PH. 1 0,0992 0,366 0,377 0,376 0,382 0,388 0,378 0,008 1021 1043 999 1,03. 2 3 0,1011 0,1009 0,38 0,288 0,383 0,289 0,38 0,291 0,381 0,293 0,382 0,29 0,381 0,290 0,001 0,002 1030 784 1034 789 1027 779 1,02 0,78 PH: papel higiénico. 4 0,1052 0,348 0,345 0,35 0,348 0,347 0,348 0,002 939 944 934 0,89. 5 0,1016 0,376 0,636 0,724 0,738 0,785 0,652 0,163 1761 2203 1320 1,73.

(32) IAMB 200610 05. 25. 7.1.7 Ensayo elemental A continuación en la Tabla 15, se encuentran los resultados del ensayo elemental. Como se puede observar el mayor porcentaje en peso seco corresponde al carbono y al oxígeno. Por otra parte, el contenido de azufre así como el de nitrógeno son menores al 1% del peso seco de la muestra.. Tabla 15 Resultados del ensayo elemental3. MUESTRA No.. 09596-E. REFERENCIA. Papel higiénico. MÉTODO DE ANÁLISIS. Humedad residual, % en peso. 4,52. Pérdida por secado en horno a 110 °C. Cenizas, % en peso. 1,44. Residuo de combustión en horno a 750 °C. Carbono, % en peso. 48,88. Combustión y detección por absorción infrarroja: Analizador elemental LECO CHN 600. Hidrógeno, % en peso. 6,96. Combustión y detección por absorción infrarroja: Analizador elemental LECO CHN 600. Nitrógeno, % en peso. 0,15. Combustión y detección por conductividad térmica: Analizador elemental LECO CHN 600. Azufre, % en peso. 0,04. Combustión y detección infrarroja: Analizador de azufre LECO SC 32. Oxígeno (calculado), % en peso. 42,53. Cálculo. 7.2 Carga de papel higiénico (Wph) La estimación de la carga máxima de papel higiénico se hizo usando tres fuentes de información diferentes. La primera fuente se trató de la Cámara de Pulpa Papel y Cartón (CPPC), la cual entrega semestralmente el consumo de papel higiénico más el consumo de faciales a nivel nacional. La segunda fuente se trata del trabajo de Friedler et al. [3], en donde se estima el consumo de papel higiénico por persona. Finalmente la tercera fuente se trata de la empresa de Papeles Nacionales SA.. 3. Resultados entregados por Ingeominas el día viernes 2 de mayo de 2006..

(33) IAMB 200610 05. 26. Como se esperaba, la mayor carga se calculó a partir de la primera fuente de información debido a que esta es la suma del consumo de dos productos: papel higiénico y faciales. Sin embargo, las tres cargas calculadas son del mismo orden de magnitud y cercanas entre si. 7.2.1 Wph de acuerdo a la CPPC La CPPC estimó que el consumo aparente de papel higiénico en Colombia, en el primer semestre de 2005, fue de 77,323 toneladas. Por otra parte, el DANE [2] estimó que para esa mima fecha la población en Colombia fue aproximadamente de: 41’240.000. El consumo que hace una persona en un día de acuerdo a esta información se puede apreciar en la Ecuación 4.. Ecuación 3. 77323Ton 1000000g • 1Ton 181días Consumo = 41240000 personas. Ecuación 4. Consumo =. 10,4g persona ⋅ día. El DANE calculó que la población en Bogotá en el año 2005 fue de 6’900,000. De esta forma, la carga de papel higiénico se puede estimar como lo muestran las Ecuaciones 5 y 6.. Ecuación 5. Wph =. 10,4g 1Ton • • 6900000 personas persona ⋅ día 1000000g. Ecuación 6. Wph ≈. 72Ton día. 7.2.2 Wph de acuerdo a la estimación hecha por Friedler et al. En el estudio realizado por Friedler et al. [3], se estimó que el consumo de papel higiénico por persona es aproximadamente de 7 g, aunque este valor puede variar de acuerdo al sexo de la persona y del día en que se use. Por lo tanto, la carga de papel higiénico es aproximadamente 48 toneladas,.

(34) IAMB 200610 05. 27. Ecuación 7. Wph =. 7g 1Ton • • 6900000 personas persona ⋅ día 1000000g. Ecuación 8. Wph ≈. 48Ton día. 7.2.3 Wph de acuerdo a la empresa de Papeles Nacionales SA. La empresa Papeles Nacionales SA estimó el consumo de papel higiénico con base en los rollos. De esta forma, el consumo de rollos hecho por un hogar (4 personas) en la ciudad de Bogotá, en tres meses, es aproximado a 26,5 rollos. El peso aproximado de un rollo de papel higiénico se calcula como el peso promedio de los rollos usados, Tabla 16, para obtener la mezcla de papel higiénico que se añadió en los reactores y es de 107 g por rollo.. Tabla 16. Pesos de rollos de papel higiénico. Marca. Peso sin cartón (g). Super Suplex. 177. Papel Higiénico Colsubsidio. 165. Papel Higiénico Blanco. 151. Scott. 66. Familia. 75. Joya. 123. Papel económico. 68. Suave. 124. Kleenex. 124. Promedio. 107. Desviación estándar. 40. Se puede observar en las Ecuaciones 9 y 10 los cálculos para encontrar el consumo de una persona en un día; mientras que en las Ecuaciones 11 y 12 se puede observar los cálculos para estimar la carga máxima de papel higiénico, de acuerdo a los datos proporcionados por La empresa Papeles Nacionales SA..

(35) IAMB 200610 05. 28. Ecuación 9. Consumo =. 26,5rollos 1 familia 107g 1mes • • • 1 familia ⋅ 3meses 4 personas 1rollo 30días. Ecuación 10. Consumo =. 7,9g persona ⋅ día. Ecuación 11. Wph =. 7,9 g 1Ton • • 6900000 personas persona ⋅ día 1000000 g. Ecuación 12. Wph ≈. 55Ton día. Finalmente se estiman dos promedios de carga de papel higiénico. El primero (58,3 Ton/día) que incluye los tres resultados ya mencionados y el segundo (51,5 Ton/día) que sólo incluye los dos últimos resultados. Para cálculos futuros se usará el segundo promedio debido a que el primero está claramente sobreestimado, puesto que la primera estimación de carga de papel higiénico incluye al papel facial. Por otra parte, aunque los últimos 2 consumos estimados (Friedler et al., y Papeles Nacionales S.A.) fueron del mismo orden de magnitud y muy cercanos entre sí, es evidente que existe una diferencia que en parte puede deberse al tipo y a las costumbres. de los diferentes. consumidores. De esta forma es posible que haya sutiles variaciones en la magnitud del consumo dependiendo de la región a la cual pertenece la población..

(36) IAMB 200610 05. 29. 8. ANÁLISIS A continuación se encuentran los análisis correspondientes de los resultados, ordenados así: temperatura y pH, sólidos, porcentajes de CLC, concentración de CLC, orden de la reacción, ensayos de DQO y finalmente ensayo elemental y producción de biogás.. 8.1 Temperatura y pH Los perfiles de temperatura y pH del día 42 del experimento, de los reactores 1 y 2 se pueden observar en las Gráficas 1 y 2. Las temperaturas de los dos reactores son en todo momento muy similares y ambas incrementan entre las 5 y las 10 horas. El rango de temperaturas leídas ese día en ambos reactores, se encuentra aproximadamente entre 16 y 19 °C. Por otra parte, el pH de los dos reactores, como ya se ha mencionado, es básico en todo momento y cercano a 9. Adicionalmente se puede observar que el cambio de pH en el tiempo no es significativo.. TEMPERATURA R1. Lectura (°C). 20 18. 18. 16. 16. 14. 14. 12. 0. 5 10 Tiempo (Horas). TEMPERATURA R2. 20. 15. 12. 0. 5 10 Tiempo (Horas). 15. Gráfica 1. Perfiles de temperatura en el reactor 1 (R1) y en el reactor 2 (R2). pH R1. Lectura. 10 9.5. 9.5. 9. 9. 8.5. 8.5. 8. 0. 5 10 Tiempo (Horas). pH R2. 10. 15. 8. 0. 5 10 Tiempo (Horas). Gráfica 2. Perfiles de pH en el reactor 1 (R1) y en el reactor 2 (R2). 15.

(37) IAMB 200610 05. 30. El aumento en la temperatura se debe al incremento de la temperatura ambiente en las horas de la tarde. Es de esperarse que la temperatura volviera a bajar en las horas de la noche. Por otra parte, se observó que posiblemente el cambio de pH, registrado en la Gráfica 2 se debió al instrumento de medición. Algunas estimaciones de pH en aguas residuales muestran que estas tienden a ser básicas. Butler y Davies [4] resumen dentro de las concentraciones de algunos contaminantes el pH característico para aguas duras en 7,2 y para aguas blandas en 7,8. En el caso de Bogotá, las mediciones hechas en los últimos años por la EAAB muestran que los cuerpos de agua que alimentan al río Bogota, como lo son el Salitre, Fucha y Tunjuelo, son de pH esencialmente básico. El segundo foro del agua realizado en Bogotá, en el cual la fundación verde vivo junto con la embajada de Alemania y la alcaldía de Bogotá, hizo la tercera navegación por el río Bogotá [5], en la cual se midió temperatura y pH, Tabla 17.. Tabla 17. Temperatura y pH en distintos puntos del río Bogotá [5]. Punto del río. Temperatura ˚C. pH. Nacimiento del río. 11.9. 7.83. Villapinzón. 12.01. 7.7. Planta de tratamiento Chocontá. 16.9. 7.62. Flores de Suesca. 12.3. 6.11. Planta de tratamiento Suesca. 14.4. 7.01. Pepeles y molinos. 15.4. 6.74. Planta de tratamiento Gachancipá. 15.7. 7.41. Planta de tratamiento Tocancipá. 16.9. 7.62. Leona. 16.8. 7.13. Gibraltar. 17.4. 6.92. Adicionalmente, las mediciones hechas por el estudio: INSTRUMENTACIÓN Y ANÁLISIS AMBIENTAL DE UNA SUBCUENCA DEL SISTEMA DE ALCANTARILLADO DE BOGOTA, realizado entre la Universidad de los Andes y la EAAB [20] en la subcuenca Virrey, muestra que el pH se encuentra entre 7 y 8 mientras que la temperatura entre 18 y 19 ˚C. Es decir, la temperatura es similar a la medida en los reactores, mientras que el pH es un poco más básico en los reactores.. 8.3 Sólidos Los sólidos que se obtuvieron para cada ensayo se pueden observar en la Gráfica 3. En primer lugar, el cambio de sólidos en el tiempo es comparable entre ambos reactores. Adicionalmente, se puede ver que la pendiente negativa es baja, lo que significa que los sólidos disminuyen.

(38) IAMB 200610 05. 31. lentamente. Por otra parte, podría pensarse que en términos ambientales, tener una dinámica tan débil en la disminución de los sólidos sería negativo: de alguna u otra forma, estos resultados empiezan a mostrar que las moléculas orgánicas que estudia este proyecto se degradan lentamente. Para aumentar la dinámica de los sólidos en los reactores, se podría introducir algunas cepas de microorganismos que sean conocidos por su capacidad o especialidad para degradar CL. Por otra parte, es posible que al disminuir el tamaño de los sólidos mediante algún proceso, por ejemplo mecánico o químico, se pueda favorecer la degradación. Se puede ver que en los primeros ensayos se extrajo menos cantidad de sólidos con relación a los ensayos hechos entre los días 20 y 40. Este comportamiento se debe a la calidad en la toma de muestras de los primeros ensayos. Teóricamente se esperaba que los sólidos en un principio fueran constantes y luego disminuyeran, tal como ocurre después del día 20. Examinando el desarrollo del ensayo de CLC, en los primeros ensayos, se encuentra que al momento de la toma de muestra no se mezcló el agua residual; es decir, las muestras de los primeros ensayos no son representativas del problema.. SOLIDOS R1. Lectura (g). 2 1.5. 1.5. 1. 1. 0.5. 0.5. 0. 0. 20 40 Tiempo (Días). SOLIDOS R2. 2. 60. 0. 0. 20 40 Tiempo (Días). 60. Gráfica 3. Perfil del material sólido extraído para el desarrollo del método FDA. Por otra parte, se piensa que lo más probable es que los sólidos en los reactores tiendan a disminuir y no a aumentar, puesto que la mayor parte de los sólidos corresponde a la materia orgánica proveniente del agua del sanitario, la cual al ser degradada se convierte principalmente en gases y no en sólidos. Debido a estas razones, en el análisis del cambio de concentración de CLC sólo se incluirán los siguientes puntos: reactor 1, del día 18 hasta el día 53 del experimento; reactor 2, del día 11 al día 53 del experimento..

(39) IAMB 200610 05. 32. Tabla 18. Puntos seleccionados. Día 1 4 11 18 25 32 39 46 53. Fecha Sólidos R1 Sólidos R2 17-abr 0,7377 1,0496 21-abr 1,0326 1,1967 28-abr 1,0349 1,2704 05-may 1,1838 1,3006 12-may 1,1530 1,2527 19-may 1,1108 1,2508 26-may 1,1027 1,1952 02-jun 1,1040 1,2033 09-jun 1,0313 1,1341 R1: reactor 1; R2: reactor 2.. Finalmente se calculó la cantidad de sólidos en los reactores el día 25. Para esto se usó una regresión lineal a partir de los días seleccionados para los análisis. Por medió de la regresión se estimó que el día 25 la cantidad de sólidos en el reactor 1 y en el reactor 2 debía ser 1,15530g y 1,2527g respectivamente. Las ecuaciones de las regresiones son las siguientes:. Reactor 1. Reactor 2. y = −0,0038 x + 1,248. y = −0,0034 x + 1,338. R2 = 0,883. R2 = 0,8295. Ecuación 13. Ecuación 14. 8.4 Porcentajes de CLC A continuación en las Gráficas 4 y 5, se puede observar los resultados de las mediciones de CLC que se hicieron para las muestras de los reactores y las muestras de algodón. El primer reactor muestra un cambio en el contenido de CLC en todo momento. Adicionalmente el menor porcentaje calculado, para este reactor, corresponde al primer ensayo; sí como para el segundo reactor. Por otra parte, el porcentaje de CLC en el segundo reactor también cambia en el tiempo y es interesante observar como en todo momento los resultados de los ensayos de CLC en el reactor 2 son menores a los del reactor 1 (a pesar de haber adicionado la misma cantidad de papel higiénico en ambos reactores). Sin embargo, los resultados son precisamente de porcentaje de CLC en 100 mL de muestra tomada. Observando la cantidad de sólidos en ambos reactores, Tabla 8, es claro que el segundo reactor tiene más sólidos de base que el primero; resultado que se confirma en la Tabla 18 Por lo tanto, es lógico encontrar un porcentaje de CLC menor en el reactor 2 con respecto al reactor 1..