Estudio del efecto de la recirculación del hidróxido de hierro en el tratamiento biológico de aguas residuales

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(1)ESTUDIO DEL EFECTO DE LA RECIRCULACIÓN DEL HIDRÓXIDO DE HIERRO EN EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS RESIDUALES. LIDA MARCELA ÁVILA RAMÍREZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. 2010.

(2) ESTUDIO DEL EFECTO DE LA RECIRCULACIÓN DEL HIDRÓXIDO DE HIERRO EN EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS RESIDUALES. LIDA MARCELA ÁVILA RAMÍREZ. Tesis de grado para optar por el título de Magíster en Ingeniería Civil con Énfasis en Gestión Ambiental. Director: Sergio Fernando Barrera Tapias Ingeniero Civil, MSc.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. 2010.

(3) MIC 2010-II-1. TABLA DE CONTENIDO 1. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... 6 2. OBJETIVOS .............................................................................................................. 7 2.1 OBJETIVO GENERAL .......................................................................................... 7 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................. 7 3. ESTUDIO PREVIOS ................................................................................................. 8 4. FUNDAMENTO TEÓRICO ....................................................................................... 9 4.1 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS RESIDUALES .................................... 9 4.1.1 Tratamiento aerobio ........................................................................................10 4.1.2 Tratamiento anaerobio ....................................................................................11 4.1.3 Tratamiento anóxico........................................................................................12 4.2 REDUCCIÓN BIOLÓGICA DE HIERRO FÉRRICO .............................................12 5. MATERIALES Y METODOLOGÍA ...........................................................................17 5.1 PREPARACIÓN DEL LODO BIOLÓGICO ...........................................................17 5.2 ADECUACIÓN DEL REACTOR Y DE LA CÁMARA DE AIREACIÓN .................20 5.3 MONTAJE DE LABORATORIO ...........................................................................21 5.3.1 Descripción del reactor y cámara de aireación ...............................................21 5.3.2 Conexiones hidráulicas ...................................................................................24 5.3.3 Sistema de agitación .......................................................................................24 5.3.4 Tiempo de retención hidráulica (TRH) ............................................................25 5.4 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO..........................................................................25 5.4.1 Diagrama de flujo y descripción general del proceso ......................................25 5.4.2 Preparación Agua Residual Sintética (ARS) ...................................................27 5.4.3 Preparación y dosificación del cloruro férrico (FeCl3) .....................................30 5.4.4 Preparación y dosificación de hidróxido de sodio (NaOH) ..............................31 5.4.5 Aireación y precipitación de hidróxido férrico (Fe(OH)3) .................................31 5.4.6 Recirculación de hidróxido férrico (Fe(OH)3) ..................................................32 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS .....................................................33. Lida Marcela Ávila Ramírez. 1.

(4) MIC 2010-II-1. 6.1 CONTROL Y MONITOREO DE pH ......................................................................33 6.2 CONTROL Y MONITOREO DE OXÍGENO DISUELTO .......................................35 6.3 SÓLIDOS SUSPENDIDOS VOLÁTILES (SSV) ...................................................37 6.4 ANÁLISIS DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO)............................39 6.5 ANÁLISIS DE HIERRO ........................................................................................41 6.6 ANALISIS MICROBIOLÓGICOS ..........................................................................47 7. CONCLUSIONES ....................................................................................................52 8. RECOMENDACIONES ............................................................................................54 9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................................................55 10.. ANEXOS ...............................................................................................................59. ADECUACIONES DEL REACTOR Y DE LA CÁMARA DE AIREACIÓN ...................59 PREPARACIÓN DEL LODO ......................................................................................60 DESCRIPCIÓN DE LA EVOLUCIÓN DEL PROCESO ..............................................61 RESULTADOS DE LABORATORIO ..........................................................................65. Lida Marcela Ávila Ramírez. 2.

(5) MIC 2010-II-1. LISTADO DE TABLAS. Tabla 1. Principales procesos biológicos aplicados al tratamiento de agua residual ..... 10 Tabla 2. Ventajas y desventajas de los procesos biológicos ......................................... 12 Tabla 3. Composición de la solución de hidróxido de hierro (Fe(OH)3 ......................... 17 Tabla 4. Composición de leche y nutrientes .................................................................. 18 Tabla 5. pH óptimos reportados en la literatura ............................................................. 19 Tabla 6. Partes que se adecuaron al reactor y a la cámara de mezcla ......................... 20 Tabla 7. Dimensiones y capacidad del reactor .............................................................. 22 Tabla 8. Dimensiones y capacidad de la cámara de aireación ...................................... 22 Tabla 9. Composición del agua residual sintética .......................................................... 29 Tabla 10. Propiedades del agua residual sintética ........................................................ 29 Tabla 11. Dosis de cloruro férrico .................................................................................. 31 Tabla 12. Composición de “Wolfe’s minimal salts” ........................................................ 47 Tabla 13. Determinación de bacterias ferroreductoras por el método de número más probable......................................................................................................................... 49 Tabla 14. Tabla de resultados de análisis NPM ............................................................ 50 Tabla 15. Descripción general de lo ocurrido en la etapa de experimental ................... 61 Tabla 16. Resultados de control de pH y OD en el reactor y en la cámara de aireación65 Tabla 17. Resultados DQO............................................................................................ 67 Tabla 18. Resultados de SSV........................................................................................ 68 Tabla 19. Hierro a la entrada de la cámara de aireación ............................................... 68 Tabla 20. Hierro a la salida de la cámara de aireación .................................................. 69 Tabla 21. Cantidad de hierro presente en la cámara de aireación ................................ 69 Tabla 22. Hierro total ..................................................................................................... 70 Tabla 23. Hierro ferroso ................................................................................................. 70 Tabla 24. Hierro férrico .................................................................................................. 71. Lida Marcela Ávila Ramírez. 3.

(6) MIC 2010-II-1. LISTADO DE FIGURAS Figura 1. Diagrama conceptual de la oxido-reducción del hierro. ................................. 13 Figura 2. Transferencia de electrones entre la célula microbial y la superficie de los óxidos de hierro. . .......................................................................................................... 14 Figura 3. Lodo (Solución de hidróxido férrico, leche y nutrientes preparada el 18/Diciembre/2009) ....................................................................................................... 19 Figura 4. Monitoreo de pH en el lodo ............................................................................ 19 Figura 5. Montaje de laboratorio .................................................................................... 22 Figura 6. Reactor y Cámara de aireación ...................................................................... 23 Figura 7. Bombas peristálticas ...................................................................................... 24 Figura 8. Diagrama de flujo del proceso ........................................................................ 26 Figura 9. Descripción del proceso ................................................................................. 26 Figura 10.Recirculación Fe(OH)3 ................................................................................... 32 Figura 11. Monitoreo de pH en el licor mixto ................................................................. 34 Figura 12. pH en la cámara de aireación ....................................................................... 35 Figura 13. Medidor de oxígeno disuelto ........................................................................ 36 Figura 14. Comportamiento del oxígeno disuelto en el reactor ..................................... 36 Figura 15. Comportamiento del oxígeno disuelto en la cámara de aireación ................ 37 Figura 16. Comportamiento de los sólidos suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles en el licor mixto ................................................................................................ 38 Figura 17. Comportamiento de la demanda bioquímica de oxígeno en el influente y en el efluente .......................................................................................................................... 39 Figura 18. Porcentajes de remoción de materia orgánica alcanzada en el proceso ...... 40 Figura 19. Concentración de hierro a la entrada de la cámara de sedimentación presente en el efluente primario .................................................................................... 42 Figura 20. Concentración de hierro a la salida de la cámara de sedimentación presente en el efluente final ......................................................................................................... 43 Figura 21. Concentración de hierro presente en la cámara de aireación ...................... 44 Figura 22. Concentración de hierro total ....................................................................... 45 Figura 23. Concentración de hierro ferroso ................................................................... 45 Figura 24. Concentración de hierro férrico .................................................................... 46 Figura 25. Bacilos gran negativos presentes en el lodo biológico ................................. 48 Figura 26. Adecuaciones del reactor y de la cámara de aireación ................................ 59 Figura 27. Evolución preparación del lodo .................................................................... 60 Figura 28. Evolución del proceso ................................................................................. 63. Lida Marcela Ávila Ramírez. 4.

(7) MIC 2010-II-1. INTRODUCCIÓN. Según estudios del Banco Mundial en América Latina y en el Caribe (2006), se estima que de los 510 millones de habitantes de la región, unos 56 millones no tienen acceso a agua limpia (11%), otros 132 millones carecen de servicios de saneamiento adecuados (28 %), 26 millones de habitantes de zonas urbanas no tienen fuentes de agua mejorada (5%) y aproximadamente 50 millones carecen de servicios de alcantarillado (10 %); la falta de alcantarillado e instalaciones adecuadas de tratamiento de aguas y eliminación de los desechos puede traer severas consecuencias para la salud y el medio ambiente. Según el estudio de Ramos y García (2005) acerca de las tendencias en el desarrollo de nuevas tecnologías para el tratamiento de aguas, residuos y lodos para el periodo comprendido entre 1999 y 2003, se encontró que según la Clasificación Internacional de Patentes (CIP), de 384 invenciones analizadas, el mayor número de invenciones correspondió al tratamiento de aguas y lodos con aproximadamente 266 invenciones (69,3%), 27 invenciones (7,03%) a depósito de residuos sólidos y 12 invenciones (3,1 %) a separaciones. Respecto a las invenciones que se realizaron para el tratamiento de aguas se encontró que 177 invenciones (46,1%) corresponden a tratamientos biológicos de residuos acuosos, lo cual indica que la mayoría de los inventos tecnológicos están encaminados a dar solución al tema de tratamiento de aguas y que la tendencia es usar procesos biológicos. Sin embargo aun se requiere de tratamientos innovadores para la remoción de materia orgánica con un costo competitivo.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 5.

(8) MIC 2010-II-1. 1. JUSTIFICACIÓN. Los impactos en salud y el desequilibrio ambiental ocasionados por la carencia de tratamiento o el tratamiento inadecuado de las aguas residuales hacen imperativo el desarrollo de nuevas alternativas que permitan realizar el tratamiento de aguas residuales de una manera más efectiva y a un costo más bajo. La Universidad de los Andes ha venido adelantando una serie de trabajos de investigación que pretenden encontrar una alternativa que permita un adecuado tratamiento de aguas, el cual se vea reflejado en la eficiencia de remoción de materia orgánica y que sea a un bajo costo para mitigar el impacto que esta genera. La adición de hierro férrico (Fe+3) en el tratamiento biológico de aguas residuales parece ser una buena alternativa ya que este elemento es un excelente aceptor de electrones en el metabolismo energético de una amplia variedad de bacterias. El Fe+3 se reduce a hierro ferroso (Fe+2), gana electrones (e-) y debido a su alto potencial de oxido reducción (ORP) (Fe+3/ Fe+2 ~ 0,771 V a pH= 7, 25 °C) (McCarty & Rittmann, 2001) libera una gran cantidad de energía la cual es asimilada y utilizada por los microorganismos presentes en el medio acuoso para transformar y degradar la materia orgánica. La escasa literatura frente al tratamiento biológico de aguas residuales mediante la adición de hierro férrico en condiciones anaerobias y en presencia de bacterias reductoras de hierro, es uno de los mayores retos de esta experimentación ya que nos obliga a generar la mayor cantidad de datos y variables posibles, para poder llevar esta alternativa a una escala real.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 6.

(9) MIC 2010-II-1. 2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL. Analizar la viabilidad del aprovechamiento del hidróxido férrico proveniente del tratamiento biológico de aguas residuales de acuerdo con las condiciones en que se lleva a cabo este proceso.. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Evaluar la eficiencia de remoción de materia orgánica durante el tratamiento biológico de aguas residuales mediante la adición de hierro férrico en condiciones anaerobias. Determinar la efectividad de la presencia de bacterias ferroreductoras durante el tratamiento biológico de aguas residuales mediante la adición de hierro férrico en condiciones anaerobias.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 7.

(10) MIC 2010-II-1. 3. ESTUDIO PREVIOS. La Universidad de los Andes ha venido desarrollando trabajos relacionados con la adición de hierro en el tratamiento biológico de aguas residuales como una alternativa que busca reemplazar el suministro de oxígeno, por hierro como aceptor de electrones. Esto con el fin de proporcionarle a los microorganismos, la energía necesaria que requieren para la descomposición de la materia orgánica en el tratamiento de aguas residuales. De esta forma se tienen los trabajos realizados por Wilches (2001), Huertas (2002) y Pérez (2006) que muestran resultados favorables empleando esta alternativa. El estudio de Wilches (2001) analizó la factibilidad del uso de hierro en el tratamiento de aguas residuales y se pudo comprobar experimentalmente la teoría que hay detrás de la química del hierro (ORP). Gracias a este trabajo, se logró establecer la metodología para desarrollar la fase experimental del presente estudio, ya que Wilches observó que el principal parámetro a controlar en este proceso era el pH, dada la extremada acidificación que se presentó en los biorreactores. En el estudio de Huertas (2002) se evidenció una disminución en la eficiencia de remoción de la materia orgánica cercana al 50%, entre un tratamiento de aguas residuales en un régimen aerobio y un régimen anaerobio con adición de hierro como aceptor de electrones; lo cual pudo ser causado por la disminución en la densidad microbiana. También se descartó el uso de sulfato ferroso (FeSO4), el cual se oxida y no funciona como un buen aceptor de electrones durante el metabolismo de los microorganismos a diferencia del cloruro férrico (FeCl3) que si actúa como un buen aceptor final de electrones. Pérez (2006) a través de una comparación entre un tratamiento de lodos activados y un tratamiento anaerobio de aguas residuales con inclusión de cloruro férrico (FeCl3) como aceptor de electrones, pudo observar que con los dos procesos se obtuvieron altas eficiencias de remoción (alrededor del 80%). Esto permitió concluir que la adición de hierro en el tratamiento anaerobio es viable en condiciones de laboratorio, ya que se alcanzan eficiencias de remoción de materia orgánica similares a las de un proceso convencional de lodos activados.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 8.

(11) MIC 2010-II-1. 4. FUNDAMENTO TEÓRICO 4.1 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS RESIDUALES. El tratamiento biológico es uno de los tratamientos de aguas residuales más utilizados en la actualidad. Este proceso tiene como objetivo fundamental, remover la materia orgánica soluble y coloidal biodegradable presente en las aguas mediante la acción metabólica de los microorganismos, principalmente bacterias y archaea, las cuales tienen la capacidad de convertir la materia orgánica en fuente de energía y de carbono necesaria para su crecimiento. Adicionalmente, contribuye a la disminución biológica de compuestos nutricionales en exceso, tales como nitrógeno y fósforo; a la eliminación de compuestos a nivel de traza que puedan resultar tóxicos y a la eliminación de parásitos y microorganismos patógenos. Los procesos biológicos pueden clasificarse de acuerdo con:  El tipo de aceptor de electrones en: procesos aerobios, anóxicos y anaerobios (Grady et al, 1999).  El medio de soporte en que se encuentren los microorganismos en: procesos de cultivo fijo y de cultivo en suspensión (Grady et al, 1999) (Metcalf & Eddy et al, 2003)  El elemento contaminante a eliminar: se pueden diferenciar en procesos biológicos para la eliminación de materia orgánica carbonácea, eliminación de nitrógeno (nitrificación - desnitrificación) y eliminación de fósforo (Grady et al, 1999).. Lida Marcela Ávila Ramírez. 9.

(12) MIC 2010-II-1. Tabla 1. Principales procesos biológicos aplicados al tratamiento de agua residual. Proceso. Principales tratamientos. Aerobio. Lodos activados, lagunas aireadas, digestión aerobia, filtros percoladores, filtros de desbaste, sistemas biológicos rotativos de contacto o biodiscos (RBC), biofiltros activados.. Anaerobio Anóxico Combinados Estanques o lagunajes. Digestión anaerobia, proceso anaerobio de contacto (UASB), filtro anaerobio, y lecho expandido. Denitrificación con cultivo en suspensión, y la denitrificación de película fija. Proceso de una o varias etapas (aerobios, anaerobios y anóxicos). Lagunas aerobias, lagunas facultativas, lagunas anaerobias y lagunas de maduración o terciarias.. Fuente: Adaptado de Metcalf & Eddy, Tchobanoglous; Burton, y Stensel, 2003. 4.1.1 Tratamiento aerobio. Es el proceso mediante el cual una población de microorganismos en presencia de oxígeno (O2), es capaz de degradar la materia orgánica e inorgánica disuelta, suspendida y coloidal que hay dentro de un agua residual, en gases y masa celular, los cuales se pueden separar fácilmente mediante una sedimentación. La presencia del oxígeno hace que este elemento actúe como el aceptor de electrones dentro del sistema y genere un alto rendimiento energético, que conlleva a una gran producción de lodo biológico debido al crecimiento de bacterias aerobias. Una limitante de este proceso es la solubilidad del oxígeno dentro del agua (Metcalf & Eddy et al, 2003). El proceso de lodos activados es uno de los procesos biológicos aerobios más eficiente en términos de remoción de materia orgánica (superior al 90%). Consiste en una mezcla de agua residual y el lodo biológico aireada y agitada continuamente. Está basado en el cultivo de una población de microorganismos formada por bacterias, protozoos, metazoos, hongos entre otros, que degradan la materia orgánica presente en el medio mediante un aporte de oxígeno (Grady et al, 1999) (Madigan et al, 2003) (Metcalf & Eddy et al, 2003).. Lida Marcela Ávila Ramírez. 10.

(13) MIC 2010-II-1. Los lodos biológicos producidos son separados y un porcentaje de ellos son devueltos al tanque de aireación en la cantidad necesaria, en este sistema las bacterias utilizan el oxígeno suministrado artificialmente para desdoblar los compuestos orgánicos, que a su vez son utilizados para su crecimiento. A medida que los microorganismos crecen y son mezclados en el tanque de aireación, se aglutinan y forman una masa activa de microorganismos llamados “Lodo Activado”. La mezcla de lodo activado y aguas residuales en el tanque de aireación es llamada licor mixto, la cual fluye en un tanque de sedimentación secundario en donde sedimentan los lodos activados. Los efluentes del sedimentador secundario pueden ser descargados a una corriente receptora o ser sometidos a tratamientos adicionales según las normas sobre calidad de efluentes. Parte de los lodos son retomados al tanque de aireación con el fin de mantener una población bacterial alta, que permita una oxidación rápida de la materia orgánica y el resto es sometido a tratamientos más avanzados para lograr una disposición final adecuada (Metcalf & Eddy et al, 2003) (Salazar & Orozco , 1987).. 4.1.2 Tratamiento anaerobio. Es un proceso biológico que se da dentro de un recipiente hermético, donde ocurren una serie de reacciones bioquímicas, que conducen a digerir la materia orgánica en ausencia de oxígeno (O2) (McCarty & Rittmann, 2001). Este proceso está dirigido principalmente por bacterias facultativas y por bacterias anaeróbicas estrictas, las cuales obtienen su energía de compuestos diferentes al oxígeno (O2) y son capaces de aceptar electrones tales como nitratos (NO3-), hierro férrico (Fe3+), sulfatos (SO42-), carbonatos (CO32-), dióxido de carbono (CO2) e incluso algunos compuestos orgánicos (parte de su propia materia orgánica). Los productos finales del tratamiento anaerobio de aguas residuales, generalmente son el dióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4) (Metcalf & Eddy et al, 2003) (Salazar & Orozco , 1987).. Lida Marcela Ávila Ramírez. 11.

(14) MIC 2010-II-1. 4.1.3 Tratamiento anóxico Es un proceso mediante el cual el nitrógeno del nitrato (NO 3-) es convertido biológicamente a nitrógeno inerte (N2) en ausencia de oxígeno. Este proceso también se conoce como denitrificación (Metcalf & Eddy et al, 2003).. Desventajas. Ventajas. Tabla 2. Ventajas y desventajas de los procesos biológicos Aeróbico Alta eficiencia de remoción de materia orgánica (90%). Menor tiempo de contacto o THR. Permite degradar grandes volúmenes en espacios reducidos.. Anaeróbico Baja producción de lodos. Bajo requerimiento de nutrientes. No requiere suministro de O2. Bajos costos de operación, de inversión y mantenimiento. Valor agregado de desechos (CH4). Alta producción de lodos Requiere una infraestructura muy costosa. Instalación de equipos electromecánicos de alto consumo energético. Baja eficiencia de eliminación de bacterias patógenas.. Baja tasa de crecimiento microorganismos. Alto requerimiento de control de pH. Producción de olores. Mayor tiempo de aclimatación. Mayor tiempo de contacto o THR.. de. Fuente: Adaptado de Metcalf & Eddy, Tchobanoglous; Burton, y Stensel, 2003. 4.2 REDUCCIÓN BIOLÓGICA DE HIERRO FÉRRICO. El hierro es el cuarto elemento más abundante de la corteza terrestre (Straub et al, 2005). Generalmente existe en tres estados de oxidación: 0, +2 y +3, los cuales se denominan así: hierro metálico (Fe0), hierro ferroso (Fe2+) y hierro férrico (Fe3+). En la naturaleza, el ciclo del hierro se da entre la forma ferrosa y férrica. Bajo condiciones aeróbicas, el hierro se encuentra usualmente en su forma más oxidada (Fe3+), en esta forma, el hierro se caracteriza por tener una solubilidad baja en sistemas acuosos. Bajo condiciones anaeróbicas el Fe3+ es reducido a la forma de Fe2+ y en este estado el hierro tiene una solubilidad muy alta (Lovley & Coates, 2000) (Maier et al, 2009).. Lida Marcela Ávila Ramírez. 12.

(15) MIC 2010-II-1. Aunque la abundancia de hierro es alta, la biodisponibilidad de la gran mayoría de minerales de hierro es un poco limitada (Straub & Schink, 2003) (Bonneville et al, 2004). Es por eso, que los microorganismos tienen la necesidad de desarrollar estrategias para obtener el hierro a partir de su forma mineral (óxidos de hierro o hidróxidos de hierro). La estrategia más estudiada es el uso de quelantes de hierro1, comúnmente conocidos como sideróforos2 (Straub & Schink, 2003). En la Figura 1 se puede observar un diagrama conceptual de la oxido-reducción de hierro. Los estudios de Lovley y sus colaboradores (2004) sugieren que la reducción del hierro férrico pudo haber sido la primera forma de respiración microbiana, la capacidad reducción del hierro férrico, parece haber evolucionado a lo largo del tiempo. Los géneros Shewanella y Geobacter representan los dos grupos más grandes de bacterias reductoras de hierro en el medio natural (Zhanga et al, 2003). El Fe3+ tiene diferentes mecanismos reductores, por ejemplo las especies Geobacter, requieren un contacto directo con los óxidos en estado férrico para reducirlos. Por el contrario, las especies Shewanella y Geothrix producen quelantes que solubilizan Fe+3 y permite que se de una liberación y flujo de electrones que se transfieren de la superficie de la célula a la superficie de los óxidos Fe+3 sin que estén en contacto directo con las células (Lovley et al, 2004).. Figura 1. Diagrama conceptual de la oxido-reducción del hierro. Fuente: Lovley D.R., 2008; Maier, Pepper, & Gerba, 2009.. 1 2. Quelante de hierro: es una sustancia que forma complejos con iones de hierro Sideróforos: es un compuesto quelante de hierro secretado por microorganismos. Lida Marcela Ávila Ramírez. 13.

(16) MIC 2010-II-1. El hierro es reducido biológicamente para dos propósitos, asimilación y generación de energía (disimilación). La asimilación ocurre cuando se reduce el Fe 3+ para satisfacer las necesidades nutritivas de los microorganismos durante su crecimiento, a este proceso se le denomina metabolismo asimilador. La reducción disimilatoria del hierro, se da cuando el Fe3+ es usado como aceptor de electrones para generar energía durante la respiración anaerobia, a este proceso se le denomina metabolismo disimilador. Muchos organismos llevan a cabo un metabolismo asimilador, mientras que sólo un grupo limitado de organismos, principalmente procariotas, realizan metabolismo disimilador. En la Figura 2 se pueden ver dos formas usadas por los microorganismos para que se dé la transferencia de electrones. En (A) se puede observar el intercambio directo de electrones entre la célula y un óxido de hierro. En (B) se muestra la transferencia de electrones a través de un intermediario que actúa como un transportador (enzima), sin que la célula y el óxido estén necesariamente en contacto. Cuando se necesitan tales transportadores, se designa al donador inicial como donador primario de electrones y al aceptor final como aceptor final de electrones, generalmente estos transportadores son secretados por los mismos microorganismos con el fin de solubilizar el hierro no esta disponible (Lovley et al, 2004) (Maier et al, 2009).. Figura 2. Transferencia de electrones entre la célula microbial y la superficie de los óxidos de hierro. Fuente: Adaptado de Lovley et al, 2004; Straub et al, 2005; Maier, Pepper, & Gerba, 2009.. Para entender las oxidaciones y reducciones biológicas se hace necesario tener en cuenta que debe existir siempre una reacción en la que intervenga un donador de electrones y otra en la que intervenga un aceptor de electrones. En las reacciones. Lida Marcela Ávila Ramírez. 14.

(17) MIC 2010-II-1. oxidación-reducción, los electrones son cedidos por un donador y aceptados por un aceptor. Generalmente, la materia orgánica es el donante más común de algunos microorganismos y para el caso de estudio, el hierro juega un papel fundamental como elemento aceptor de electrones en los procesos de oxidación de la materia orgánica (Fredrickson & Gorby, 1996). Ya que tiene potencial de reducción del par Fe 3+/ Fe2+ es ligeramente electropositivo (E0’=+0,771 V a pH 7) (McCarty & Rittmann, 2001). La cantidad de energía liberada en una reacción de oxido reducción depende tanto de la naturaleza del donador, como del aceptor de electrones: cuanto mayor sea la diferencia entre los respectivos potenciales de reducción, mayor será la energía liberada cuando reaccionen entre ellos. Es importante tener en cuenta que lo que realmente libera energía no es el donador de electrones que contiene la energía, sino la reacción química mediante la cual oxida el donador de electrones. Esta energía que se libera hace que se produzcan una gran cantidad de procesos enzimáticos (Fredrickson & Gorby, 1996). Entre los microorganismos reductores de hierro se encuentran las bacterias quimioorganotrofas 3 (Shewanella putrefaciens) y quimiolitrofas 4 (Geobacter metallireducens, estas bacterias son capaces de reducir el hierro férrico (Fe 3+) a hierro ferroso (Fe2+)) (Fredrickson & Gorby, 1996) (Ding et al, 2008), incluso en condiciones de pH bajo o alta temperatura (Zhanga et al, 2003) (Madigan et al, 2003). Los géneros más estudiados son: Shewanella: Género bacteriano formado por bacilos rectos o ligeramente curvados, Gram negativos, móviles por flagelación polar. Generalmente se encuentran en ecosistemas acuáticos. Este género comprende a S.putrefaciens, S.benthica y S.hanedai como representantes más notables y a los géneros Vibrio, Ferrimonas, Pseudoalteromonas y Colwelia. La Shewanella puede colonizar diversos nichos ecológicos, se han aislado de diferentes lugares. El crecimiento anaerobio depende del Fe3+ (Straub et al, 2005) (Byung Hong et al, 1999-1) (Byung Honk et al, 1999-2).. 3. Son bacterias que obtienen la energía y los materiales a partir de sustancias orgánicas.. 4. Son bacterias que obtienen la energía de procesos químicos y los materiales a partir de sustancias inorgánicas. Ejemplo: las bacterias férricas, las sulfurosas y las nitrificantes y nitrosificantes.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 15.

(18) MIC 2010-II-1. Geobacter: pertenecen al grupo de bacterias procariotas Gram negativas. Este género comprende las bacterias G. metalrreducens y G sulfurreducens. Se caracterizan por que usan hidrógeno (H2) y otros compuestos derivados del petróleo como donadores de electrones, por lo cual pueden resultar muy útiles en bioremediación de este tipo de compuestos contaminantes (p.ej. tolueno) e incluso de algunos compuestos radioactivos (p.ej. uranio), según lo constatan los estudios de Fredrickson & Gorby (1996), Lovley & Coates (2000), Balk M (2007), Ding et al (2008) y Izallalen et al (2008). Otros géneros capaces de reducir el hierro férrico son: el género Geospirillum, el género Geovibrio (Madigan et al, 2003), el género Geothrix fermentans (es la única especie capaz de oxidar ácidos orgánicos simples completamente a CO2 con Fe3+ como único aceptor de electrones, por lo cual la hace diferente a otras bacterias mesófilas reductores Fe3+ que oxidan los compuestos orgánicos sólo parcialmente a acetato) (Coates et al, 1999), B. infernus (único género Gram-positivo capaz de reducir Fe3+ conocido hasta la fecha) (Fredrickson & Gorby, 1996) y Aeromonas hydrophila (Scala et al, 2006) (Wóznica et al, 2003). Las especies Clostridia y Bacillus también son microbios que anaeróbicamente son capaces de reducir el hierro, pero a través de procesos de fermentación (Scala et al, 2006). Muchos de estos microorganismos oxidan los compuestos orgánicos a dióxido de carbono (CO2) completamente por efecto de la reducción de hierro férrico, mientras que otros sólo oxidan los compuestos orgánicos parcialmente a acetato (Coates et al, 1999) Algunos estudios de Lovley & Phillips (1986) indican que la adición de hierro férrico inhibe la producción de metano (CH4) en los sedimentos. En síntesis las interacciones biogeoquímicas de los microorganismos reductores de hierro férrico con minerales de hierro puede desempeñar un papel significativo en la eliminación de contaminantes presentes en diferentes ambientes (Fredrickson & Gorby, 1996).. Lida Marcela Ávila Ramírez. 16.

(19) MIC 2010-II-1. 5. MATERIALES Y METODOLOGÍA. A continuación se describen los materiales y la metodología que se usaron en la fase experimental de este proyecto.. 5.1 PREPARACIÓN DEL LODO BIOLÓGICO. Los microorganismos especializados en la reducción de hierro fueron los encargados de degradar la materia orgánica presente en el agua residual a través del tratamiento biológico anaerobio propuesto por este estudio. Era necesario entonces crear un medio artificial para generar la aparición de tales microorganismos. Adicionalmente, se propuso el uso de hierro férrico como aceptor final de electrones, para lo cual se preparó una solución de hidróxido férrico (Fe(OH)3) a partir de la mezcla de los componentes que se listan en la Tabla 3. Durante su preparación se realizó un control de pH, ya que el Fe(OH)3 precipita cuando se encuentra entre un valor de pH de 7,0 y 7,7 (Lovley & Phillips, 1986) (Deng Y, 1997) (Sánchez, 2002). En la ecuación 1 se plantea la reacción química que se da al formar hidróxido férrico, a partir de la mezcla entre cloruro férrico e hidróxido de sodio. FeCl3 + 3NaOH. Fe(OH)3 + 3NaCl Ecuación 1. Tabla 3. Composición de la solución de hidróxido de hierro (Fe(OH)3 Componente. Estado. Concentración (g/L). Cantidad (mL). Cloruro férrico (FeCl3.6H2O). Solución. 20. 1000. Hidróxido de Sodio (NaOH). Solución. 40. 700. A esta solución de hidróxido férrico se adicionó leche y nutrientes en las cantidades mostradas en la Tabla 4 con el fin de proporcionarle a los microorganismos la fuente de carbono y de nutrientes que requieren para vivir. Lida Marcela Ávila Ramírez. 17.

(20) MIC 2010-II-1. Tabla 4. Composición de leche y nutrientes Componente. Estado. Concentración (g/L). Cantidad (mL). Leche Klim. Solución. 2. 1000. Cloruro de Calcio (CaCl2). Solución. 27,5. 3. Sulfato de Magnesio (MgSO4*7H2O). Solución. 22,5. 3. Cloruro férrico (FeCl3.6H2O). Solución. 0,25. 3. Solución. 8,5. Solución. 21,75. Fosfato monopotásico (KH2PO4) Difosfato de potasio Solución amortiguadora (K2HPO4) de fosfatos Fosfato disódico (Na2HPO4) Cloruro de amonio (NH4Cl). 3 Solución. 33,4. Solución. 1,7. Finalmente, a la mezcla entre la solución de hidróxido férrico, leche y nutrientes se le denominó “Lodo Biológico”. Este lodo se mantuvo a temperatura ambiente en un recipiente cerrado; ya que para cultivar los microorganismos anaerobios hay que evitar la presencia de oxígeno (Straub et al, 2005). Ver Figura 3 .. Lida Marcela Ávila Ramírez. 18.

(21) MIC 2010-II-1. Figura 3. Lodo (Solución de Hidróxido Férrico, leche y nutrientes preparada el 18/Diciembre/2009). Al lodo biológico se le realizó semanalmente un monitoreo de pH y se le adicionó leche y nutrientes en las cantidades reportadas en la Tabla 4. Este proceso duro aproximadamente tres meses. Durante las cuatro primeras semanas se observó un descenso en el pH, el cual alcanzó un valor de 5,77; tal como se puede observar en la Figura 4. Esto pudo ser ocasionado por una fermentación ácida del lodo, la cual se caracteriza por tener un descenso rápido en el pH que va desde valores de pH cercanos a 7 hasta un valor de 5 (Scala et al, 2006). 7,5 7. 6. 23-mar. 18-mar. 13-mar. 8-mar. 3-mar. 26-feb. 21-feb. 16-feb. 11-feb. 6-feb. 1-feb. 27-ene. 22-ene. 17-ene. 12-ene. 7-ene. 2-ene. 28-dic. 5. 23-dic. 5,5. 18-dic. pH Lodo. 6,5. Fecha Figura 4. Monitoreo de pH en el lodo. En las semanas siguientes a este descenso, fue necesario adicionar NaOH (1N) para incrementar el pH y mantenerlo entre 6,5 y 7,5; pH óptimo para que se dé el crecimiento de los microorganismos reductores de hierro, de acuerdo a lo que muestran varios estudios (Ver Tabla 5). Tabla 5. pH óptimos reportados en la literatura pH 4,0 – 7,0 5,0 – 6,0 7,0 7,1 7 5,5 - 7,3. Fuente Bonneville et al., 2004 Fredrickson & Gorby.,2006 Roden E.E.,2006 Vandieken V., 2006 Straub & Schink., 2003 King et al., 1999. Lida Marcela Ávila Ramírez. ( Bonnevill e et al, 2004). (Fredri ckson & Gorby, 1996). (R oden E. E, 2006). (Vandieken V, 2006). (Str aub & Sc hink, 2003). (King et al, 1999). 19.

(22) MIC 2010-II-1. pH 5,5 – 7,5 7,0. Fuente Huertas, 2002 Lovley & Phillips (Huertas, 2002). ( Lovl ey & Phillips, 1986). Transcurridos tres meses, por primera vez se notó un cambio en la coloración del lodo, el cual pasó de un color café claro o un color café oscuro, tal como se puede apreciar en anexos la Figura 27. Esto es consistente con lo que describen algunos estudios donde el hierro férrico se cambia a hierro ferroso en la ausencia de oxígeno cuando los compuestos ferrosos le dan un color café oscuro al sedimento (Boyd C.E, 2008). Este cambio es el que permitió tomar la decisión de inocular el reactor, para dar paso a la siguiente etapa de experimentación.. 5.2 ADECUACIÓN DEL REACTOR Y DE LA CÁMARA DE AIREACIÓN. Se utilizaron los reactores descritos y empleados en un estudio previo (Pérez, 2006), ya que se encontraban en relativo buen estado y además estaban disponibles en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental de la Universidad de los Andes. Uno de ellos se adaptó para que fuera el reactor y otro para que fuera la cámara de aireación. Las adecuaciones consistieron en diseñar y mandar fabricar las partes que les hacían falta, las cuales se relacionan en la. Tabla 6; así mismo como eliminar las fugas de agua existentes, poniendo silicona en los lugares correspondientes.. Tabla 6. Partes que se adecuaron al reactor y a la cámara de mezcla Parte. Descripción. Lida Marcela Ávila Ramírez. Figura. 20.

(23) MIC 2010-II-1. Parte. Descripción Tapa en acrílico con seis orificios para que cubriera el reactor.. Figura. Orificios. Cada orificio cumplían un fin, ya que tres se usaron para permitir el ingreso del influente 5 del cloruro férrico (FeCl3) y del hidróxido de sodio (NaOH), uno para conectar el sistema de agitación, otro para extraer el efluente tratado y otro para introducir las sondas de control del pH y de oxígeno disuelto (OD), por este mismo orificio se podía introducir el hidróxido férrico (Fe(OH)3) que fue recirculado.. Tapa del reactor. Tapa. Se ubicó una lámina de acrílico de 3 mm de espesor y con dimensiones de 20 x 25 cm. Bafle móvil para dividir la cámara de mezcla y la cámara de sedimentación del reactor. Bafle móvil. Llave. Se instaló una llave externa en la cámara de mezcla del reactor con el fin de extraer las muestras del licor mixto.. Llave. Bafle inclinado en cámara de aireación. Con el fin de dividir parcialmente las cámaras, permitir el paso del flujo del agua tratada y recircular el lodo que se sedimenta en la cámara de sedimentación.. la. Bafle móvil para dividir la cámara de oxidación y la cámara de sedimentación II de la cámara de aireación. Se adapto una lámina de acrílico de 3 mm de espesor en la cámara de aireación con el fin de facilitar la recolección del hidróxido férrico (Fe(OH)3) que se sedimenta en ésta. Se ubicó una lámina de acrílico de 3 mm de espesor y con dimensiones de 20 x 25 cm, sus funciones fueron dividir parcialmente las cámaras, permitir el paso del flujo del efluente aireado.. Bafle móvil. Bafle inclinado. 5.3 MONTAJE DE LABORATORIO 5.3.1 Descripción del reactor y cámara de aireación. 5. Se le denomino influente a la mezcla del agua residual sintética y nutrientes. Lida Marcela Ávila Ramírez. 21.

(24) MIC 2010-II-1. Agitador mecánico. Aireador. Bomba peristáltica de cabezal doble. Reactor. Cámara de aireación. Bomba peristáltica de cabezal sencillo. Figura 5. Montaje de laboratorio. Las dimensiones y la capacidad del reactor y de la cámara de aireación se encuentran descritas en las Tabla 7 y Tabla 8 respectivamente. Tanto el reactor como la cámara de aireación se encontraban fabricados en acrílico transparente de 3 mm de espesor, para una fácil observación del proceso en su interior. Tabla 7. Dimensiones y capacidad del reactor Reactor. Cámara de mezcla. Cámara de Sedimentación (I). Alto (cm). 39,5. 39,5. Ancho (cm). 16,5. 18,0. Profundidad (cm). 20,0. 20,0. Volumen (L). 13,1. 8,9. Volumen de operación (L). 9,0. 4,5. Tabla 8. Dimensiones y capacidad de la cámara de aireación Cámara de aireación. Cámara de mezcla con aire. Cámara de Sedimentación (II). Alto (cm). 39,5. 39,5. Ancho (cm). 16,5. 18,0. Profundidad (cm). 20,0. 20,0. Volumen (L). 11,4. 8,9. Lida Marcela Ávila Ramírez. 22.

(25) MIC 2010-II-1. Volumen de operación (L). 9,3. 6,7. Cámara de sedimentación (I). Cámara de mezcla. Cámara de mezcla de aire. Reactor. Cámara de sedimentación (I). Cámara de aireación. Figura 6. Reactor y Cámara de aireación. El reactor constaba de una cámara de mezcla y una cámara de sedimentación (I) como se puede observar en la Figura 6. En la cámara de mezcla, se encontraba el lodo biológico encargado de metabolizar la materia orgánica. Por la parte superior de esta cámara se suministraban el agua residual sintética, el cloruro férrico y la solución de hidróxido de sodio. Todos estos componentes eran mezclados continuamente con un agitador mecánico. El reactor se mantenía tapado para evitar el ingreso de oxígeno al sistema, y contaba con un orificio con tapa por donde se introducían las sondas con las que se medían el pH y el oxígeno disuelto de la mezcla. La cámara de sedimentación (I) tenía una pared inclinada, diseñada para que hubiera una buena sedimentación. En la parte superior de la cámara, sobre la tapa había un pequeño orificio por donde se conectó una manguera para retirar el efluente clarificado con ayuda de una bomba peristáltica. La configuración de la cámara de aireación constaba de una cámara de mezcla de aire y una cámara de sedimentación (II), en la cámara de mezcla de aire se adecuó una pared inclinada con el fin de facilitar la recolección de hidróxido férrico precipitado durante el proceso. La cámara de mezcla de aireación se encontraba separada de la cámara de sedimentación (II) por un bafle móvil, el cual inicialmente permitió la salida del efluente por la parte de abajo de este y más adelante por la parte superior. El espacio que se dejo encima de la base de la cámara de mezcla de aire, comunicó las dos cámaras y sirvió para reunir y recoger el hidróxido férrico que se formó durante el experimento.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 23.

(26) MIC 2010-II-1. El hidróxido férrico fue extraído a través de una manguera y una bomba peristáltica por un orificio que se encontraba ubicado sobre el bafle inclinado a 18 cm de la base y así se pudo llevar por un tiempo a la cámara de mezcla del reactor. 5.3.2 Conexiones hidráulicas. Se utilizaron dos bombas peristálticas, una de doble cabezal y una sencilla. La bomba de doble cabezal era de marca Cole Parmer Instrument Co, modelo 77202-60 y con control de velocidad Master Flex. Se usaron mangueras de silicona L/S 16 de diámetro Masterflex, para transportar el alimento (influente 6) y efluente primario 7 del reactor a razón de un 1L/h (Ver Figura 7). La otra bomba era de marca Cole Parmer Instrument Co, modelo 77200-50 y con control de velocidad Master Flex. Fue la encargada de llevar el hidróxido férrico que se produjo en la cámara de aireación hasta el reactor (Ver Figura 7).. Bomba peristáltica doble cabezal. Bomba peristáltica cabezal sencillo. Figura 7. Bombas peristálticas. 5.3.3 Sistema de agitación. En la cámara de mezcla se utilizó un agitador mecánico, modelo EQLAP030697, diseñado para operación continua, el cual tenía un selector de velocidad mecánico de dos rangos de 40 a 400 r.p.m. y de 200 a 2000 r.p.m, con indicación digital permanente de la velocidad en r.p.m y bajo nivel de ruido. Su función fue mantener siempre una mezcla íntima en suspensión entre los influentes y el lodo, para lograr una buena. 6 7. Influente: Agua residual sintética Efluente primario: efluente clarificado que se obtuvo en el reactor.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 24.

(27) MIC 2010-II-1. efectividad en el proceso. La agitación mantuvo la mezcla en suspensión aproximadamente en 100 r.p.m, durante toda la operación del reactor. A esta mezcla se le denominó “licor de mixto”.. 5.3.4 Tiempo de retención hidráulica (TRH). El tiempo de retención fue de aproximadamente de 13,5 horas y se calculó de acuerdo con la siguiente ecuación: ( ) ( ). :. Fuente: Metcalf & Eddy, Tchobanglous, Burton y Stensel; 2003). ( ) ( ). 5.4 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. 5.4.1 Diagrama de flujo y descripción general del proceso. Preparación y suministro ARS (ver numeral 5.4.2) Preparación y dosificación FeCl3(ver numeral 5.4.3) Preparación y dosificación NaOH (1N) (ver numeral 5.4.4) Mezcla de influentes con lodo biológico. Lida Marcela Ávila Ramírez. 25 Sedimentación (I) y evacuación del efluente primario.

(28) MIC 2010-II-1. Figura 8. Diagrama de flujo del proceso. Cámara de aireación Cloruro férrico Cámara de mezcla de aireación. Hidróxido de Sodio Agitador mecánico. Cámara de sedimentación (II). Reactor. pH metro Cámara de mezcla Medidor de oxígeno disuelto. Bomba peristáltica de doble cabezal. Bomba peristáltica de cabezal sencillo. Cámara de sedimentación (I). Caneca de recolección de efluente final. Agua residual sintética. Figura 9. Descripción del proceso. El proceso se efectuó dentro de un reactor y una cámara de aireación. En el reactor se llevó a cabo un tratamiento biológico de agua residual sintética (ver numeral 5.4.2), usando hierro férrico como aceptor de electrones. Este proceso se efectuó bajo condiciones anaeróbicas, en presencia de bacterias ferroreductoras, las cuales fueron cultivadas durante tres meses en un medio propicio que se dispuso para el crecimiento. Lida Marcela Ávila Ramírez. 26.

(29) MIC 2010-II-1. de ellas (ver numeral 5.1). Todo esto basado en la teoría que hay detrás de la reducción biológica de hierro férrico. El reactor se opero a temperatura ambiente (prom.19 º C), con un pH entre 6,5 y 7,5; de acuerdo a lo encontrado en la literatura (Ver Tabla 5 ). El caudal de alimentación y de evacuación del efluente primario fue de 1 L/h, el tiempo de retención hidráulico de 13,5 h y la agitación del licor mixto se realizo aproximadamente a 100 r.p.m. El hierro férrico fue suministrado en forma de cloruro férrico durante toda la etapa experimental de este estudio. Las dosis que se usaron se encuentran consignadas en el numeral 5.4.3. Al cabo de un tiempo, se combinó esta dosificación con la recirculación del hidróxido férrico que se obtuvo dentro de la cámara de aireación. Simultáneamente a la adición del FeCl3, se agregó NaOH (ver numeral 4.5.4) para evitar la acidificación de la mezcla, esta dosificación se realizó a través de un sistema de venoclisis. Las condiciones en la cámara de mezcla del reactor eran controladas mediante la medición continua de pH y oxígeno disuelto (OD), con el fin de controlar el proceso y así propiciar las reacciones necesarias para que las bacterias oxidaran la materia orgánica y también se pudiera aprovechar la recirculación de hidróxido de hierro que se formo durante el proceso en la cámara de aireación. El reactor se conectó en serie a una cámara de aireación, la cual tuvo como función airear y precipitar una gran parte el hierro disuelto (Fe2+) que se encontraba presente en el efluente primario tratado en el reactor anaerobio, tal como se describe en el numeral 5.4.5). A medida que se realizó la aireación en la cámara, fue apareciendo un precipitado de hidróxido férrico. Éste fue recogido y recirculado inicialmente por intermedio de una bomba peristáltica y posteriormente con ayuda de una pipeta. Al agua que salió de esta cámara se le denominó el efluente final. Finalmente, este efluente fue recolectado en una caneca, para luego ser desechado.. 5.4.2 Preparación Agua Residual Sintética (ARS). De acuerdo con lo recomendado por Pérez (2006) en su trabajo de investigación, se preparó un influente con una DBO de aproximadamente entre 250-300 mg/l (simulando un agua residual).. Lida Marcela Ávila Ramírez. 27.

(30) MIC 2010-II-1. La composición del agua residual sintética se encuentra descrita en la Tabla 9. La preparación del ARS se realizó diariamente para evitar la sedimentación de partículas y acidificación de la misma. Consistió en tres pasos fundamentales: 1) se tomó agua potable y se aireo por 24 horas antes de preparar el ARS, con el fin de sacarle el cloro (Cl) presente en ella y evitar que esto pudiera afectar la vida de los microorganismos; 2) en un beacker de 2000 mL se disolvió por medio de una plancha agitadora magnética con calefacción 8,4 g de leche en 2 L del agua previamente aireada; 3) se mezclaron vigorosamente los dos litros de leche disuelta con 22 L de agua aireada y los 24 ml de cada uno de los cuatro nutrientes que se adicionaron al proceso, para asegurar una mezcla homogénea.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 28.

(31) MIC 2010-II-1. Tabla 9. Composición del agua residual sintética Componente. Estado. Concentración (g/L). Leche Klim. Solución. 0,35. Cantidad en 24 L de agua aireada 8,4 g. Cloruro de Calcio (CaCl2). Solución. 27,5. 24 ml. Solución. 22,5. 24 ml. Solución. 0,25. 24 ml. Sulfato de (MgSO4*7H2O). Magnesio. Cloruro férrico (FeCl3.6H2O). Solución amortiguadora de fosfatos (1L). Fosfato monopotásico Solución (KH2PO4) Difosfato de potasio Solución (K2HPO4). 8,5. 21,75 24 ml. Fosfato disódico Solución (Na2HPO4). 33,4. Cloruro de Solución amonio (NH4Cl). 1,7. Tabla 10. Propiedades del agua residual sintética DBO (mg/L) DQO (mg/L) pH Tº (ºC). 290,28 543,43 7,2 18. Para la preparación del agua residual sintética se utilizaron los siguientes equipos:. -. Plancha Calefactora y Agitadora Agitador magnético Beacker 2000 mL Pipeta volumétrica de 20 mL Recipiente 20 L. Lida Marcela Ávila Ramírez. 29.

(32) MIC 2010-II-1. 5.4.3 Preparación y dosificación del cloruro férrico (FeCl3) La dosificación de cloruro férrico se planteó de acuerdo con lo calculado por Pérez, (2006) en su trabajo de grado. La dosis fue corroborada y ajustada de acuerdo con la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) que tenía el ARS que se preparó en este proyecto, la cual fue de 290 mg O2/L. (El cálculo se encuentra claramente explicado en el capítulo de anexos) La dosificación se realizó gradualmente para llegar a suministrar la dosis calculada (145 g/día). Para la preparación se pesaba la cantidad de FeCl3 y dentro de la cámara de extracción se disolvía en 1L de agua destilada. Para esta operación era necesario usar todos los elementos de seguridad del laboratorio, ya que el vapor que generaba esta mezcla podía ser tóxico, y por lo tanto perjudicial para la salud. El suministro de la solución de cloruro férrico se hizo a través de un sistema de venoclisis por goteo. Durante la primera semana, se suministró una dosis de 25 g FeCl3/día; sin embargo, al cabo de siete días se observó un cambio notable en la coloración del sistema, tanto sedimento como el efluente primario ya que tenían un color gris oscuro que poco a poco fue invadiendo toda cámara de sedimentación (Ver Figura 28). Este cambio pudo ser debido a la falta de cloruro férrico, lo que se traduce en una deficiencia en el proceso de respiración anaerobia; por esta razón se aumento la dosis a 120 g FeCl3/día (cantidad recomendada por Pérez (2006)) e inmediatamente se observó un cambio favorable dentro del reactor. En la tercera semana se presentó un aumento en el sedimento del reactor, el cual pudo estar relacionado con el aumento de la dosis de cloruro férrico; sin embargo, se dejo en observación por dos semanas. Aunque el sedimento estaba casi al mismo nivel que la salida del efluente primario, este no interfirió el proceso. El efluente primario salía claro y sin rastros de sedimento (Ver Figura 28). Finalizando la quinta semana, se decidió disminuir la dosis de FeCl3 e irla aumentando semanalmente, para tratar de controlar la generación de sedimento dentro de la cámara de sedimentación (I). Como se muestra en la siguiente tabla:. Lida Marcela Ávila Ramírez. 30.

(33) MIC 2010-II-1. Tabla 11. Dosis de cloruro férrico Semana Quinta Sexta Séptima. Dosis (g/día) 30 40 50. Sin embargo, al ir observando la estabilidad en el proceso, reflejada en el cambio de coloración del licor mixto y en la generación de sedimento, se disminuyo la dosis a 30 g FeCl3/semana, de ahí en adelante (a partir de la semana 8).. 5.4.4 Preparación y dosificación de hidróxido de sodio (NaOH). Diariamente se preparo una solución de hidróxido de sodio (1N) para neutralizar el proceso dentro del reactor. Esta actividad consistió en pesar 40 g de hidróxido de sodio comercial (soda caustica) y diluirlos en 1L de agua destilada, con ayuda de un agitador magnético. La solución fue incorporada al reactor a través de un sistema de venoclisis.. 5.4.5 Aireación y precipitación de hidróxido férrico (Fe(OH)3) Este proceso consistió en airear en la cámara de aireación el agua tratada proveniente del reactor, con el fin de precipitar el hierro ferroso presente en ella, producto de la reducción biológica del hierro. Esta operación se realizó a través de una bomba de aire marca Acuarium, modelo SE302, la cual iba conectada una manguera; en la parte final de esta manguera se adaptó una piedra difusora de aire para mejorar la transferencia del O2 en la solución y crear algo de turbulencia. El hierro ferroso al estar en contacto con el oxígeno (O2) del aire, se oxida cediendo un electrón al O2 para convertirse en ión férrico: ⁄. Lida Marcela Ávila Ramírez. 31.

(34) MIC 2010-II-1. El oxígeno reducido toma los hidronios contenidos en el agua, para formar iones hidroxilo:. El ión férrico tiene un alto grado de afinidad por los iones hidroxilos del agua, por lo tanto, los toma rápidamente para formar el hidróxido férrico, de color amarillo rojizo. En un medio acuoso neutro se plantea la siguiente relación estequiométrica: (. ). ⁄. (. ). (. ). (. ). 5.4.6 Recirculación de hidróxido férrico (Fe(OH)3) El hidróxido férrico que se obtuvo en la cámara de aireación fue inicialmente recirculado a través de una bomba peristáltica de cabeza sencilla. Al cabo de un tiempo, esto represento una dificultad en el proceso, ya que el Fe(OH)3 tiene la característica de ser coloidal; por tal razón, al momento de recircularlo, la manguera no podía succionarlo siempre. Cuando no tomaba el hidróxido, empezaba a pasar agua tratada al reactor. Con el fin darle una solución a esto, se decidió recircular el hidróxido a través de una pipeta graduada de 25 ml (Ver Figura 10).. Recirculación a través de una bomba peristálita de cabeza sencillla. Recirculación a través de una pipeta graduada de 25 ml. Figura 10.Recirculación Fe(OH)3. Lida Marcela Ávila Ramírez. 32.

(35) MIC 2010-II-1. 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS. 6.1 CONTROL Y MONITOREO DE pH. El pH es una medida de la concentración de iones de hidrógeno y se mide con un pHmetro. El equipo usado durante la etapa experimental de este proyecto fue un pHmetro de mesa marca Thermo Orion, modelo Star mesa. La medición se efectuó diariamente durante once semanas, primero se realizaba una calibración del equipo con tres soluciones buffer de pH diferentes (4, 7 y 10), para asegurar el buen funcionamiento del equipo. Luego se efectuaban las mediciones de pH (cada 2 horas aproximadamente) al licor mixto que se encontraba dentro de la cámara de mezcla del reactor y al efluente que estaba al interior de la cámara de aireación. Todos estos datos eran registrados, al final del día se sacaba un promedio de las lecturas hechas y este valor es el que se puede observar en la Figura 11 y Figura 12. El control de este parámetro fue esencial para asegurar que dentro del reactor y la cámara de aireación, se llevarán a cabo las reacciones necesarias para que el proceso tuviera una eficiente remoción de materia orgánica y precipitación de hidróxido férrico respectivamente.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 33.

(36) MIC 2010-II-1. 8,5. pH licor mixto. 8 7,5 7 6,5 6 5,5. 12-jun. 8-jun. 4-jun. 31-may. 27-may. 23-may. 19-may. 15-may. 11-may. 7-may. 3-may. 29-abr. 25-abr. 21-abr. 17-abr. 13-abr. 9-abr. 5-abr. 1-abr. 28-mar. 5. Fecha pH. Máximo Figura 11. Monitoreo de pH en el licor mixto. Como se puede ver en la Figura 11, el pH del licor mixto se mantuvo dentro del rango de 6,5 y 7,5 recomendado por la literatura para que los microorganismos reductores de hierro pudieran crecer y metabolizar el ARS, en condiciones óptimas. La adición de cloruro férrico dentro de la cámara de mezcla del reactor hacía que el pH descendiera rápidamente. Sin embargo, esto era contrarrestado con la adición simultánea de hidróxido de sodio, el cual neutralizaba la mezcla. Cada vez que el valor de pH superó los límites establecidos, fue necesario neutralizar licor mixto adicionándole más cloruro férrico para pH > 7,5 e hidróxido de sodio para pH<6,5.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 34.

(37) MIC 2010-II-1. 7,5. 7 6,5 6. pH. 11-jun. 6-jun. 1-jun. 27-may. 22-may. 17-may. 12-may. 7-may. 2-may. 27-abr. 22-abr. 17-abr. 12-abr. 7-abr. 5. 2-abr. 5,5. 28-mar. pH en la cámara de aireación. 8. Fecha pH ideal. Figura 12. pH en la cámara de aireación. En la Figura 12 se puede observar el comportamiento del pH dentro de la cámara de aireación a lo largo del tiempo. El monitoreo de este parámetro fue de suma importancia para controlar la precipitación del hidróxido férrico que se dio en la cámara de aireación, y que de acuerdo con la literatura (Lovley & Phillips, 1986) (Deng Y, 1997) (Sánchez, 2002), el hierro ferroso se oxida más rápidamente a hierro férrico, si el pH es mayor a 7. Para corroborar esto más adelante se comparará este parámetro con la cantidad de hierro férrico producido en la cámara de aireación. 6.2 CONTROL Y MONITOREO DE OXÍGENO DISUELTO. El Oxígeno Disuelto (OD) es la cantidad de oxígeno que está disuelta en el agua, se expresa normalmente en ppm (mg/L). El nivel de oxígeno disuelto puede ser un indicador para saber que tan contaminada está el agua. La cantidad de oxígeno que puede disolverse en el agua (OD) depende de la temperatura, a mayor temperatura menos oxígeno se disuelve. Un nivel alto de OD indica que el agua es de buena calidad. El control de este parámetro se efectuó con un medidor de oxígeno marca Orion, modelo Star 3, serie sn010018 (Ver Figura 13).. Lida Marcela Ávila Ramírez. 35.

(38) MIC 2010-II-1. Figura 13. Medidor de oxígeno disuelto. Las mediciones se realizaron al licor mixto y al agua aireada, aproximadamente tres veces al día. Antes de analizar las muestras se calibraba el equipo, para asegurar una buena lectura del mismo. Luego se tomaba una muestra del licor mixto o del agua aireada en una botella winkler, allí se introducía la sonda del equipo y se leía el valor que aparecía en la pantalla. Este dato se registraba y al finalizar el día se tomaba un valor promedio de las lecturas efectuadas, este fue el valor que se graficó en las Figura 14 y Figura 15. 0,8 0,6. 0,4. 11-jun. 6-jun. 1-jun. 27-may. 22-may. 17-may. 7-may. 2-may. 27-abr. 22-abr. 17-abr. 12-abr. 12-may. OD…. 7-abr. 0. 2-abr. 0,2. 28-mar. OD en el reactor (mg/L). 1. Fecha. Figura 14. Comportamiento del oxígeno disuelto en el reactor. Lida Marcela Ávila Ramírez. 36.

(39) MIC 2010-II-1. 8,00 7,50 7,00 6,50 6,00 5,50 5,00. 11-jun. 6-jun. 1-jun. 27-may. 22-may. 17-may. 12-may. 7-may. 2-may. 27-abr. 22-abr. 17-abr. 12-abr. 7-abr. 4,00. 2-abr. 4,50 28-mar. OD en la cámara de aireación (mg/L). En la Figura 14 se puede observar que el oxígeno disuelto en licor mixto oscilo en promedio entre 0,05 y 0,4 mg /L, indicando que el reactor operó con cantidades casi despreciables de oxígeno, lo cual era favorable para el proceso, especialmente para los microorganismos anaerobios presentes.. Fecha Figura 15. Comportamiento del oxígeno disuelto en la cámara de aireación. En la Figura 15 se puede observar una variación de oxígeno disuelto en el agua presente en la cámara de aireación a lo largo del tiempo en promedio entre 5,5 y 6,5 mg/L. Estos valores indican que se tenía una gran cantidad de O 2 suficiente para oxidar los iones férricos presentes en el agua tratada. Lo que hacía viable la recuperación y formación de hidróxido férrico en esta cámara.. 6.3 SÓLIDOS SUSPENDIDOS VOLÁTILES (SSV). Los sólidos suspendidos volátiles representan una medida indirecta de la cantidad de microorganismos presentes en un medio líquido, por esta razón fueron medidos en este trabajo. Para su determinación se siguió la metodología de los procedimientos descritos en el “Standard Methods for the examination of water and wastewater” (2005), Método 2540 D y Método 2540. Lida Marcela Ávila Ramírez. 37.

(40) MIC 2010-II-1. Fecha SSV (mg/L). SSTen el reactor (mg/L). 12-jun. 11-jun. 4000 10-jun. 4000 9-jun. 6000 8-jun. 4500 7-jun. 8000. 6-jun. 5000. 5-jun. 10000. 4-jun. 12000. 5500. 3-jun. 6000. 2-jun. 14000. 1-jun. 6500. 31-may. 16000. 30-may. 7000. 29-may. 18000. 28-may. 20000. 7500. 27-may. 8000. 26-may. SSV en el reactor (mg/L). Inicialmente, se hizo una estimación de la cantidad de SSV presentes en el lodo biológico que se preparó y utilizó como inóculo del proceso. El valor de SSV que se obtuvo fue de 4940 mg/L, el cual estaba dentro del promedio de otros tratamientos biológicos. Este valor también permite confirmar la presencia de microorganismos en el lodo biológico.. SST (mg/L). Figura 16. Comportamiento de los Sólidos suspendidos totales y Sólidos suspendidos volátiles en el licor mixto. Durante la etapa de experimentación se decidió efectuar mediciones de SSV al licor mixto, sólo hasta cuando el proceso fuera estable. Por esta razón, en la Figura 16 se pueden observar catorce mediciones, las cuales presentan valores de SSV muy estables y mayores a los del lodo biológico casi 1,22 veces. En promedio, el licor de mezcla contenía 6034 mg/L de SSV. Los sólidos suspendidos volátiles representaban el 40% de los de los sólidos suspendidos totales. Al comparar la cantidad de SSV iniciales contenidos en el lodo biológico con el promedio de SSV obtenidos durante los últimos quince días del proceso, se puede observar que la biomasa tuvo un crecimiento de aproximadamente el 22 %.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 38.

(41) MIC 2010-II-1. 6.4 ANÁLISIS DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO). La DQO se usa para medir aproximadamente la cantidad total de materia orgánica presente en una muestra de agua. Por esta razón fue objeto de análisis en este trabajo. La cantidad de materia orgánica presente en la muestra se determinó por el método colorimétrico de reflujo cerrado SM 5220 D modificado, descrito en el “Standard Methods for the examination of water and wastewater” (2005), este análisis se le realizó al influente y al efluente final con el fin de evaluar el porcentaje de remoción de materia orgánica para el tratamiento biológico de aguas residuales mediante la adición de hierro férrico en condiciones anaerobias cuando se alcanzó un estado estable. 700. DQO (mg/L). 600 500 400 300 200 100. 13-jun. 11-jun. 9-jun. 7-jun. 5-jun. 3-jun. 1-jun. 30-may. 28-may. 26-may. 24-may. 22-may. 20-may. 18-may. 16-may. 14-may. 12-may. 10-may. 8-may. 0. Fecha DOO Influente (mg/L). DOO Efluente (mg/L). Figura 17. Comportamiento de la demanda bioquímica de oxígeno en el influente y en el efluente. Lida Marcela Ávila Ramírez. 39.

(42) MIC 2010-II-1. 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65%. 13-jun. 11-jun. 9-jun. 7-jun. 5-jun. 3-jun. 1-jun. 30-may. 28-may. 26-may. 24-may. 22-may. 20-may. 18-may. 16-may. 14-may. 12-may. 10-may. 60% 8-may. % de Remoción de materia orgánica. Por efecto de costos solo se pudieron evaluar trece muestras por duplicado. En la Figura 17 se puede ver los resultados obtenidos a través de este análisis, vale la pena decir que el día 6 de junio se cambio la leche que normalmente se utilizó durante la etapa de experimentación, por esta razón se puede notar un cambio en el valor de la DQO de ahí en adelante.. Fecha Figura 18. Porcentajes de remoción de materia orgánica alcanzada en el proceso. En la Figura 18 se puede observar la remoción de materia orgánica alcanzada en el proceso, la cual fue en promedio de 85%. En conclusión, se puede decir que se obtuvo una eficiencia de remoción de materia orgánica alta con el tratamiento biológico de aguas residuales mediante la adición de hierro férrico en condiciones anaerobias, lo cual lo hace viable a nivel de laboratorio. A través de un test de jarras se pudo constatar que la remoción de materia orgánica alcanzada en el proceso se debe al metabolismo de los microorganismos y no al tratamiento químico con cloruro férrico. Para esto se simularon las condiciones estables del reactor, adicionando la misma dosis de cloruro férrico (178,57 mg/L) pero sin presencia de microorganismos. El porcentaje remoción de materia orgánica que se obtuvo fue del 70,6%. Valor que si se compara con el promedio de obtenido en el tratamiento biológico (85%) es más bajo.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 40.

(43) MIC 2010-II-1. 6.5 ANÁLISIS DE HIERRO. Con el fin de determinar la cantidad de hierro férrico que se recirculó en el proceso, se estimo la cantidad de hierro total y de hierro ferroso (Fe 2+) presente en el efluente primario y el efluente final y con la diferencia de ambos se determinó la cantidad de hierro férrico dentro de la cámara de aireación. El hierro total se determino por el Método FerroVer (Adaptado del método de Fenantrolina 3500-Fe B del “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater”), este método consiste en adicionarle a la muestra a analizar un reactivo denominado FerroVer que reacciona con todas las formas solubles del hierro y la mayoría de las formas no solubles del hierro en la muestra, para producir hierro ferroso soluble. Éste reacciona con el indicador de fenantrolina 1,10 en el reactivo para formar un color naranja que presenta su absorción máxima de luz a una longitud de onda de 510 nm. La absorbancia de la solución es proporcional a la concentración de hierro. Se analizaron diez muestras por cuestión de costos. La determinación de hierro ferroso (Fe2+) se realizó por el método 3500-Fe B 4c de Fenantrolina descrito “Standard Methods for the examination of water and wastewater” (2005), el cual consistió en tomar una 50 ml de muestra acidificada, adicionarle 20 ml de una solución de fenantrolina y 10 ml de una solución amortiguadora de acetato de amonio diluirla a 100 ml y luego medir la absorbancia de la solución en una celda de 1 cm a 510 nm. El hierro férrico se calculó restando el hierro ferroso al hierro total.. Lida Marcela Ávila Ramírez. 41.