UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO

i

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO

UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA MAESTRÍA EN INGENIERÍA AMBIENTAL

TESIS

PRESENTADO POR ARMANDO AQUINO TACZA

TESIS PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:

MAESTRO SCIENTIAE EN INGENIERÍA AMBIENTAL

HUANCAYO-PERÚ 2017

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA TEXTIL ARTESANAL POR

FOTOCATÁLISIS HOMOGÉNEA Y HETEROGÉNEA

ii ASESOR:

Dr. WILDER EFRAÍN EUFRACIO ARIAS

iii

DEDICATORIA

A mis padres Manuel y Antonia por forjarme en los principios de los valores. A mis hermanos, Teodoro, Teobaldo, Gladys, Onofrio, Eraida, Raúl, Juan Carlos, Joel, y Cristhian, por su consejos y su apoyo incondicional. A mi esposa Hedy Elvira por el apoyo denodado, A mis hijos Johnson, Jennyfer, Ed y Al por su comprensión.

ii

AGRADECIMIENTO A Dios, por darnos salud, fuerza y guiarnos en esta vida.

A nuestras familias, por su apoyo incondicional, amor, paciencia y comprensión que han demostrado durante nuestra existencia.

Al Dr. Wilder E. Eufracio Arias, por ser un pilar fundamental en el desarrollo de este trabajo, por sus horas empleadas ayudándonos en obtener el modelo matemático, por su eficacia y por compartir con nosotros su amplia experiencia.

A nuestros amigos que nos han brindado su apoyo en algunas etapas de este trabajo, permitiéndonos alcanzar nuestros objetivos.

A los Docentes de la Escuela de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Química por los conocimientos impartidos y por incentivarnos a la investigación científica, durante nuestra estadía en la universidad, lo cual ahora nos permite desarrollarnos como profesional y persona.

iii RESUMEN

Un efluente textil artesanal presenta un alto grado de contaminación e impacto al ambiente, por lo que en la investigación se trató este efluente por fotocatálisis homogénea y heterogénea.

Para la preparación del efluente textil simulado se necesitó 0,02 g/L de colorante anilina y 0,57 g/L de biftalato de potasio, y presentó un DQO de 998,71 ppm y 1985 JISº. Para este fin se consideró las características del real, que fue analizada en el Laboratorio SGS del Perú SAC, cuyos valores son 1055,22 mg/L de DQO, 1952 de color y un pH de 3,84.

En la experimentación se utilizó 25 L del efluente a un pH 3 para cada módulo, se consideró tres variables con dos niveles: radiación solar (soleado y parcialmente nublado), tiempo de tratamiento (2 y 4 horas) y tipo de fotocatálisis (homogénea y heterogénea).

Para la fotocatálisis homogénea se utilizó 0,02 mg/L de sulfato ferroso heptahidratado y 2 g/L de H2O2. Y que, para la heterogénea, 200 g/L de colorante; 0,25 mg/L de TiO2 y 1 g/L de H2O2. Para el tratamiento, el efluente simulado se alimentó al módulo y energizó la bomba, y luego de 2 ó 4 horas se muestreó el efluente para su análisis.

La degradación promedio de DQO y color para la fotocatálisis homogénea y heterogénea es 86,20% y 57,14%; y 93,02% y 66,62%, respectivamente; en un tiempo de tratamiento de 4 horas. Si se desea una mayor degradación, el tiempo de tratamiento debe ser mayor, aún más en la heterogénea.

Palabra clave: Radiación solar, fotocatálisis, efluente textil, contaminación, impacto ambiental.

iv ABSTRACT

A handmade textile effluent presents a high degree of contamination and impact to the environment, reason why the effluent was treated by homogeneous and heterogeneous photocatalysis.

For the preparation of the simulated textile effluent; 0,02 g/L of aniline dye and 0,57 g/L of potassium biftalate were required, and had a DQO of 998,71 ppm and 1985 JIS °.

For this purpose, we considered the characteristics of the real, which was analyzed in the SGS Laboratory of Peru SAC, whose values are 1055,22 mg/L of DQO, 1952 of color and a pH of 3.84.

In the experiment, 25 L of the effluent was used at a pH 3 for each module. Three variables were considered: solar radiation (sunny and partially cloudy), treatment time (2 and 4 hours) and type of photocatalysis (homogeneous and heterogeneous). For homogenous photocatalysis, 0,02 mg/L of ferrous sulfate heptahydrate and 2 g/L of H2O2

were used. And that, for the heterogeneous, 200 g/L dye; 0,25 mg/L of TiO2 and 1 g/L of H2O2. For the treatment, the simulated effluent was fed to the module and energized the pump, and after 2 or 4 hours the effluent was sampled for analysis.

The average degradation of DQO and color for homogeneous and heterogeneous photocatalysis is 86,20% and 57,14%; and 93,02% and 66,62%, respectively; in a treatment time of 4 hours. If further degradation is desired, the treatment time should be longer, even more so in the heterogeneous one.

Keyword: Solar radiation, photocatalysis, textile effluent, pollution, environmental impact

v ÍNDICE

DEDICATORIA iii

AGRADECIMIENTO ii

RESUMEN iii

ABSTRACT iv

ÍNDICE v

Índice de Figuras vii

Índice de Tablas viii

NOMENCLATURA x

INTRODUCCION 1

CAPÍTULO I

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 Caracterización del problema 2

1.2 Formulación del problema 3

1.3 Objetivos de la investigación 3

1.4 Justificación de la investigación 3

1.5 Limitación de la investigación 4

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes de la investigación (a nivel internacional, nacional y local) 5

2.2 Bases teóricas que fundamentan la investigación 7

2.2.1. Radiación solar. 7

a) Origen. 7

b) Características. 7

c) Tipos de la radiación solar. 8

d) Usos de la energía solar. 9

e) Radiación solar en el Perú. 12

f) Orientación e inclinación. 13

2.2.2. Aguas residuales. 14

a) Principales características de las aguas residuales. 15 b) Clasificación de las aguas en función a su origen. 18

2.2.3. Aguas residuales textiles. 18

2.2.4. Tratamiento de aguas residuales. 20

2.2.5. Colorantes. 22

vi

a) Características físico-químicas. 23

b) Clasificación. 23

c) Colorantes textiles. 25

2.2.6. Procesos de oxidación avanzada (POAs). 26

a) Procesos de oxidación avanzada no fotoquímicas. 27

b) Procesos de oxidación avanzada fotoquímicas. 29

2.2.7. Catálisis. 30

a) Catálisis Homogénea. 31

b) Catálisis Heterogénea. 31

2.2.8. Fotoquímica. 31

2.2.9. Fotocatálisis. 32

2.2.10. Fotocatálisis homogénea. 37

a) Foto- Fenton. 38

b) Mecanismo de la fotocatálisis homogénea. 38

c) Parámetros fundamentales. 38

2.2.11. Fotocatálisis heterogénea. 44

a) Catalizadores. 47

b) Mecanismo de la fotocatálisis heterogénea. 49

c) Parámetros fundamentales. 52

2.2.12. Parámetros de análisis. 58

a) DQO. 58

2.3 Bases conceptuales 59

2.4 Hipótesis de la investigación 60

2.5 Variables e indicadores (operacionalización de las variables de la investigación) 61 CAPÍTULO III

METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN

3.1 Tipo de investigación 62

3.2 Nivel de investigación 62

3.3 Métodos de investigación 62

3.4 Diseño de investigación 62

3.5 Población y muestra 62

3.6 Técnicas e instrumentos de recolección de datos 63

3.7 Procedimientos de recolección de datos 64

3.7.1 Preparación del efluente textil simulado. 64

vii

3.7.2 Procedimiento. 64

3.8 Técnicas de procesamiento y análisis de resultados 66

CAPÍTULO IV

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN

4.1 Presentación, análisis e interpretación de los datos 67

4.1.1 Caracterización del efluente textil real 67

4.1.2 Aspectos descriptivos de las variables 67

4.1.3 Resultados de la degradación del efluente textil simulado 75

4.2 Proceso de la prueba de hipótesis 76

4.2.1 DQO 77

4.2.2 Color 81

4.3 Discusión de resultados 85

CAPÍTULO V

APORTES DE LA INVESTIGACIÓN

5.1 Aportes teóricos o metodológicos 88

5.2 Aportes institucionales o adposición de decisiones 88

VI. CONCLUSIONES 90

VII. SUGERENCIAS 91

VIII. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 92

IX. ANEXO 95

Anexo A: Módulo de fotocatálisis 95

Anexo B: Radiación solar en las experimentaciones 96

Anexo C: Fotografías 98

Anexo D: Valores Máximos Admisibles (VMA) 100

Anexo E: Resultados de los análisis de DBO y color de las muestras del efluente textil

simulado en tratamiento 101

Índice de Figuras

Figura 1. Espectro electromagnético de la luz solar. 8

Figura 2. Espectro solar en la superficie de la tierra. 10

Figura 3. Conversión de la radiación solar en otras formas de energía. 11 Figura 4. Clasificación de los contaminantes en las aguas residuales textiles. 19 Figura 5. Diferencia entre catalizador y fotocatalizador. 32 Figura 6. Posición relativa de los bordes de las bandas de conducción y de valencia de

algunos semiconductores. 34

viii

Figura 7. Esquema de absorción de energía radiante en el proceso de fotocatálisis. 36 Figura 8. Diagrama de banda de energía y destino de electrones y huecos en una partícula semiconductor en presencia de agua que contiene un contaminante (P). 46

Figura 9. Mecanismo de fotocatálisis heterogénea. 50

Figura 10. Esquema de los procesos redox en la interfase semiconductor-electrolito. 51 Figura 11. Módulo para la fotocatálisis homogénea y heterogénea 63 Figura 12. Partes del módulo de fotocatálisis y flujo del agua residual 66 Figura 13. Radiación solar del día 27/05/17 (parcialmente nublado) 96 Figura 14. Radiación solar del día 31/05/17 (parcialmente nublado) 96

Figura 15. Radiación solar del día 01/06/17 (soleado) 97

Figura 16. Radiación solar del día 02/06/17 (soleado) 97

Figura 17. Efluente textil simulado inicial para la fotocatálisis homogénea. 98 Figura 18. Efluente textil simulado inicial para la fotocatálisis heterogénea. 98 Figura 19. Efluente textil al inicio del tratamiento por fotocatálisis homogénea y

heterogénea 99

Figura 20. Efluente textil después de 4 horas de tratamiento por fotocatálisis homogénea y

heterogénea 99

Índice de Tablas

Tabla 1. Posición de banda (agua a pH 1) para algunos semiconductores fotocatalíticos 49 Tabla 2. Operacionalización de las variables de la investigación. 61

Tabla 3. Niveles de las variables. 65

Tabla 4. Matriz de diseño. 65

Tabla 5. Días de las experimentaciones. 66

Tabla 6. Características del efluente textil real. 67

Tabla 7. Características iniciales del efluente textil simulado. 67 Tabla 8. Resultados de los análisis de DQO y color de las experimentaciones. 68 Tabla 9. Estadísticos descriptivos respecto al DQO y la radiación solar. 69 Tabla 10. Estadísticos descriptivos respecto al DQO y el tiempo de tratamiento. 70 Tabla 11. Estadísticos descriptivos respecto al DQO y el tipo de fotocatálisis. 71 Tabla 12. Estadísticos descriptivos respecto al color y la radiación solar. 72 Tabla 13. Estadísticos descriptivos respecto al color y el tiempo de tratamiento. 73 Tabla 14. Estadísticos descriptivos respecto al color y el tipo de fotocatálisis. 74 Tabla 15. Porcentaje de degradación de DQO del efluente textil simulado. 75 Tabla 16. Porcentaje de degradación de color del efluente textil simulado. 75

ix

Tabla 17. Porcentaje de degradación promedio respecto a la radiación solar y tipo de

fotocatálisis. 76

Tabla 18. Porcentaje de degradación promedio respecto al tipo de fotocatálisis. 76 Tabla 19. Pruebas de normalidad respecto a la radiación solar - DQO. 77 Tabla 20. Pruebas de normalidad respecto al tiempo de tratamiento - DQO. 77 Tabla 21. Pruebas de normalidad respecto al tipo de fotocatálisis - DQO. 78 Tabla 22. Prueba de homogeneidad de varianza respecto a la radiación solar - DQO. 78 Tabla 23. Prueba de homogeneidad de varianza respecto al tiempo de tratamiento - DQO.

79 Tabla 24. Prueba de homogeneidad de varianza respecto al tipo de fotocatálisis - DQO. 79

Tabla 25. Pruebas de efectos inter-sujetos - DQO. 80

Tabla 26. Pruebas de normalidad respecto a la radiación solar - color. 81 Tabla 27. Pruebas de normalidad respecto al tiempo de tratamiento - color. 81 Tabla 28. Pruebas de normalidad respecto al tipo de fotocatálisis - color. 82 Tabla 29. Prueba de homogeneidad de varianza respecto a la radiación solar - color. 82 Tabla 30. Prueba de homogeneidad de varianza respecto al tiempo de tratamiento - color.

83 Tabla 31. Prueba de homogeneidad de varianza respecto al tipo de fotocatálisis - color. 83

Tabla 32. Pruebas de efectos inter-sujetos - color. 84

Tabla 33. Especificaciones del módulo de fotocatálisis 95

Tabla 34. Valores Máximos Admisibles (VMA) 100

x

NOMENCLATURA bc = Banda de conducción

bv = Banda de valencia

e^– = Especie portadora de carga negativa “electrón”



ebc = Electrón de la banda de conducción Et = Energía de activación

h⁺ = Hueco



hbv = Hueco de la banda de valencia hv = Fotón de energía

HP = Horse power (Caballo de fuerza) mg/L = Miligramo por litro

mL = Mililitros





O2 = Superóxido OH^– = Ión hidroxilo

OH = Radical hidroxilo ppm = Partes por millón ppb = Partes por billón

DQO = Demanda química de oxígeno IR = Radiación Infrarroja

UV = Radiación ultravioleta

POAs = Procesos de oxidación avanzadas

L-H = Modelo cinético de Langmuir-Hinshelwood pHzpc = pH de punto de carga cero

E = Energía del fotón de luz

c = Velocidad de la luz en el vacío





h = Constante de Planck





λ = Longitud de onda del fotón de luz

%R = Porcentaje de remoción de DQO









%A = Porcentaje de decoloración

xi Ai = Absorbancia de la muestra inicial Af = Absorbancia de la muestra final

1

INTRODUCCION

La industria textil artesanal es un sector muy fragmentado y heterogéneo, formado principalmente por pequeñas y medianas empresas, se caracteriza porque generan y descargan libremente aguas residuales con alto grado de contaminación que impacta considerablemente al medio ambiente que lo rodea. Es un sector que consume considerables cantidades de agua, energía y diversos productos químicos, por ello el agua residual es considerable, de alta concentración de diversos colorantes y contaminantes orgánicos refractarios, compuestos tóxicos, compuestos inhibidores, tensoactivos y componentes clorados. Por estas características, este efluente es muy difícil en su tratamiento y los diversos tratamientos clásicos no útiles debido a que las oxidaciones o reducciones parciales pueden generar productos secundarios altamente tóxicos.

La fotocatálisis homogénea y heterogénea aprovecha la radiación solar disponible y renovable, y se presenta como una alternativa económica y sencilla para el tratamiento de efluentes textiles. Esta tecnología para degradar y mineralizar colorantes puede abrir una ruta alternativa a los procesos tradicionales de oxidación, debido a las ventajas de la fotocatálisis que son: es el único método que destruye sustancias toxicas hasta compuestos totalmente inocuos (agua y CO2), destruye prácticamente cualquier tipo de sustancia orgánica (incluye mezclas complejas), funciona en el caso de metales pesados, los contaminantes son eliminadas en un único proceso y puede combinarse con cualquier otro proceso como el biológico. Por lo que en la presente investigación se trató las aguas residuales de la industria textil artesanal por fotocatálisis homogénea y heterogénea.

Con tal propósito, se organizó la información de la investigación en capítulos que se describen a continuación: El primer capítulo se refiere al marco teórico, en donde se detallan los antecedentes que son la base de la presente investigación, las bases teóricas que sustentan a cada una de las variables de estudio, y finalmente se presentan los conceptos más utilizados en el estudio. En el segundo capítulo se presenta la metodología, se describen el tipo, nivel, métodos, diseño; la población y muestra, las técnicas e instrumentos utilizados, procedimientos de la investigación y las técnicas de procesamiento y análisis de datos. En el tercer capítulo, los resultados, análisis e interpretación de la investigación y complementado con los aportes teóricos y prácticos.

Finalmente, se presentan las conclusiones, sugerencias, bibliografía y anexos, respectivamente.

2 CAPÍTULO I

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Caracterización del problema

En la investigación se realiza el tratamiento de aguas residuales de la industria textil artesanal por fotocatálisis homogénea y heterogénea, para difundir y promover la utilización de los procesos de oxidación avanzadas, y destacar el potencial que representa en el tratamiento de aguas residuales con diversos contaminantes.

Nuestra región presenta una característica, a diferencia de otros lugares, que es la producción de fibras naturales como la lana de oveja, alpaca y llama. Para darle un valor agregado y comercializarlo a los turistas internos y externos que visitan el Valle del Mantaro, es común encontrar muchas empresas textiles artesanales que realizan el teñido de estas fibras por dos tipos: natural y químico. El natural consta de la utilización de plantas de la zona (chilca, retama, eucalipto y otros) y un fijador (sal). Mientras que para el teñido químico se requiere de colorantes sintéticos y un fijador (ácido muriático, HCl).

Estos efluentes textiles contienen diversos compuestos orgánicos que deberían ser degradados para descargarlos al ambiente, ya que alteran la flora y fauna. Similarmente, en otros lugares y países existen muchas industrias textiles que generan aguas residuales con alta materia orgánica, colorantes y otros residuos.

En la actualidad se conoce y aplica varios tratamientos para estas y otras aguas residuales, que son caros y que en algunos casos generan subproductos que contaminan, por lo que la fotocatálisis es una opción favorable para degradar contaminantes presentes en los efluentes textiles. La fotocatálisis es uno de los procesos de oxidación avanzada (POA), que son considerados como una alternativa tecnológicamente viable y novedosa para el tratamiento de los efluentes.

La fotocatálisis es una tecnología limpia, aprovecha la energía solar para degradar contaminantes utilizando fotosensibilizadores que no originan subproductos tóxicos o lodos, ya que los compuestos orgánicos se mineralizan.

En el presente estudio se trató las aguas residuales de la industria textil artesanal por fotocatálisis homogénea y heterogénea, para ello se determinó el tipo de fotocatálisis, radiación solar y tiempo en la degradación de las aguas residuales textiles, el porcentaje de degradación de las aguas residuales textiles con fotocatálisis y se estableció la relación que existe entre el tipo de fotocatálisis, radiación solar y tiempo y el porcentaje de degradación de las aguas residuales textiles.

3

La utilidad de la investigación es que, como producto de la aplicación de la fotocatálisis homogénea y heterogénea al tratamiento de un efluente textil, se evaluó y determinó cuál de ellos alcanza un mayor porcentaje de degradación.

1.2 Formulación del problema Problema general

 ¿Cómo remover la materia orgánica de las aguas residuales de la industria textil artesanal?

Problemas específicos

 ¿Cuál es el tipo de fotocatálisis, radiación solar y cuánto es el tiempo en la degradación de las aguas residuales textiles?

 ¿Cuánto es el porcentaje de degradación de las aguas residuales textiles con fotocatálisis?

 ¿Qué relación existe entre el tipo de fotocatálisis, radiación solar y tiempo y el porcentaje de degradación de las aguas residuales textiles?

1.3 Objetivos de la investigación Objetivo general

 Tratar las aguas residuales de la industria textil artesanal por fotocatálisis homogénea y heterogénea.

Objetivos específicos

 Determinar el tipo de fotocatálisis, radiación solar y tiempo en la degradación de las aguas residuales textiles.

 Determinar el porcentaje de degradación de las aguas residuales textiles con fotocatálisis.

 Establecer la relación que existe entre el tipo de fotocatálisis, radiación solar y tiempo y el porcentaje de degradación de las aguas residuales textiles.

1.4 Justificación de la investigación

La utilización de energías renovables, especialmente la energía solar, en el tratamiento de aguas residuales es una tecnología limpia. La fotocatálisis homogénea y heterogénea se considera, por sus características, como procesos de oxidación avanzada (POA), y aprovecha la energía solar para la eliminación o degradar contaminantes de las aguas residuales de diversos orígenes mediante el uso de un fotocatalizador adecuado (por el tipo de catalizador existe fotocatálisis homogénea y heterogénea). La incidencia directa de la radiación solar en la superficie terrestre provoca una serie de reacciones químicas (redox)

4

que dan lugar a la eliminación de los compuestos orgánicos presente en los efluentes domésticos, industriales, agrícolas y otros con características particulares. También generan el cambio del estado de oxidación de los metales pesados de tal manera que cambian de estar disueltos a una forma insoluble. Bahnemann (2004) entre otros investigadores, afirma que la fotocatálisis homogénea y heterogénea son técnicas efectivas para efluentes de tintura de colorantes reactivos.

Los resultados de la presente investigación permiten evaluar el porcentaje de degradación alcanzados por la fotocatálisis homogénea y heterogénea en el tratamiento de un efluente textil simulado de una industria artesanal, a las mismas condiciones de radiación solar, porque para la parte experimental se utilizó dos módulos similares.

1.5 Limitación de la investigación

La investigación utilizó un efluente textil simulado que representa al que se genera en el teñido artesanal de lana de oveja con el colorante anilina, el cual es muy utilizado por las empresas artesanales.

El periodo que comprende las experimentaciones del estudio son algunos días del mes de Mayo y Junio del 2017.

Se investigó el tratamiento de las aguas residuales de la industria textil artesanal por fotocatálisis homogénea y heterogénea, se determinó el tipo de fotocatálisis, radiación solar y tiempo en la degradación de las aguas residuales textiles, el porcentaje de degradación de las aguas residuales textiles con fotocatálisis y se estableció la relación que existe entre el tipo de fotocatálisis, radiación solar y tiempo y el porcentaje de degradación de las aguas residuales textiles.

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CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes de la investigación (a nivel internacional, nacional y local) Guarín y Mera (2011) en su investigación titulada “Fotocatálisis heterogénea con TiO2

para el tratamiento de desechos líquidos con presencia del indicador verde de bromocresol” realizaron la degradación y mineralización del efluente líquido generados en los laboratorios de análisis químico y ambiental, similarmente a de las universidades. En la parte experimental, emplearon dióxido de titanio Degussa P-25 como catalizador, utilizaron un reactor tipo Batch y radiación UV artificial con una longitud de onda de 360 nm. Determinaron el grado de degradación mediante la técnica de espectrofotometría UV- visible, y la mineralización se evaluó a través de la DQO. Las condiciones óptimas del tratamiento para el efluente son 260 ppm de TiO2 y un tiempo de tratamiento de 60 minutos, en las que se obtuvieron un porcentaje de degradación del 84,10% y una mineralización de 82,5 %.

Tinoco, Medina y Zapata (2011) en su estudio titulado “Tratamiento de efluentes textiles con luz ultravioleta solar” utilizaron en las experimentaciones un efluente textil industrial simulado, preparado a partir de un colorante comercial que se utiliza en una industria textil, a una concentración de 100 ppm de rojo synosol y un pH de 4,6. Este efluente fue acondicionado para el proceso de fotocatálisis heterogénea a un pH de 6, mediante una solución de NaOH al 4M. De los resultados que alcanzaron, con una concentración de dióxido de titanio de 50 ppm, el tiempo óptimo es 2 h para la degradación del color y en el efluente quedó un remanente del colorante del 0,2%.

Blanco (2009) en su investigación titulada “Degradación de un efluente textil real mediante procesos Fenton y Foto-Fenton” compararon el porcentaje de degradación alcanzado por los procesos mencionados. Las mejores condiciones que determinó fue un pH de 2,7; una concentración de sulfato ferroso y peróxido de hidrógeno de 216 y 4950 mg/L, respectivamente; y un tiempo de tratamiento de 4 horas a una temperatura de 35 ºC.

Concluyeron que el Foto-Fenton alcanzó un valor máximo de degradación del 78,85%, considerando como indicador el DQO, mientras que el proceso Fenton fue menor, con un valor del 70,20%.

Garcés y Peñuela (2008) en su investigación titulada “Tratamiento de las aguas residuales de una industria textil utilizando colector solar”, emplearon el proceso de destoxificación solar mediante la fotocatálisis heterogénea. De las experimentaciones determinaron que las condiciones óptimas del tratamiento son a una concentración de 80

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mg/L de TiO2y 3 mL H2O2/L, para un tiempo de tratamiento de 2 horas. Los resultados que encontraron para el porcentaje de degradación de color fue 77,77%y para la mineralización fue 56,29%; con una fuente de radiación UV artificial con una longitud de onda de 604 nm.

Gil, Quintero, Rincón y Rivera (2007) investigaron la “Degradación de colorantes de aguas residuales empleando UV/TiO2/H2O2/Fe²⁺”, en la que evaluaron la posibilidad de utilizar los procesos avanzados de oxidación como la fotocatálisis heterogénea (TiO2/H2O2/UV) y la fotocatálisis homogénea (FeSO4/H2O2/UV) en el tratamiento del efluente del proceso de producción de bebidas isotónicas. Los estudios se llevaron realizaron en a escala de laboratorio en un foto-reactor cilindro parabólico compuesto (CPC). Para la fotocatálisis heterogénea, los parámetros óptimos fueron un pH de 3, una concentración del catalizador (TiO2) de 0,286 g/L y una concentración del peróxido de 1,204 g/L; mientras que, para la fotocatálisis homogénea, fue un pH de 3, una concentración de catalizador (Fe) de 0,03 g/L y una concentración de peróxido de 3 g/L.

Concluyeron que los porcentajes de decoloración alcanzados fueron del 97,88% y 99,65%

para la fotocatálisis heterogénea y homogénea, respectivamente.

Pekakis, Xekoukoulotakis & Mantzavinos (2006) en su investigación titulada

“Treatment of textile dye house wastewater by TiO2 photocatalysis” evaluaron la degradación oxidativa de la fotocatálisis heterogénea, con TiO2, del agua residual real de una tintorería textil. Para la oxidación fotocatalítica utilizaron una fuente artificial de UV- A sobre las suspensiones de TiO2 que fue capaz de decolorar completamente el efluente y reducir la materia orgánica (DQO) después de 4 h de tratamiento, a pesar de que generalmente esta reducción varía entre aproximadamente 40% y 90% ya que depende de las condiciones de operación. La concentración del TiO2 fue 0,5 g/L, un pH ácido de 3del efluente y en presencia de peróxido de hidrógeno.

Bandala (2002) estudió el “Tratamiento de agua residual proveniente de la industria textil mediante fotocatálisis solar”, en la que evaluó los procesos avanzados de oxidación:

fotocatálisis heterogénea y fotocatálisis homogénea (foto-Fenton). En la fotocatálisis heterogénea utilizó 10 L de agua con naranja ácido 24 (200 mg/L) y dióxido de titanio (0,5 g/L). Para el proceso homogéneo utilizó el mismo volumen del efluente y colorante con sulfato ferroso (200 ppm) y peróxido de hidrógeno (1g/L). De los resultados, la fotocatálisis heterogénea no fue capaz de degradar el colorante más de un 20%, que es insuficiente para las necesidades de la industria textil. Mientras que la fotocatálisis homogénea alcanzó resultados superiores de degradación del 90%, a las mismas

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condiciones; las otras ventajas adicionales respecto al proceso heterogéneo fue la posibilidad de recuperación del Fe (III) depositado en la finalización de las experimentaciones. En este proceso, no es necesario separar las partículas de semiconductor como la fotocatálisis heterogénea y no se observó adsorción del colorante en el catalizador como en el caso de la utilización de TiO2. También determinó la influencia que tiene la concentración del catalizador en la velocidad de la reacción de degradación, la relación es directa, quiere decir a mayor concentración de Fe (II) mayor es la velocidad de reacción del proceso. Advierte que la concentración y la forma de agregación del peróxido de hidrógeno influye en la cinética del proceso.

2.2 Bases teóricas que fundamentan la investigación 2.2.1. Radiación solar.

a) Origen.

La radiación solar tiene su origen en el Sol, que es una esfera gaseosa de 1391000 km de diámetro, una de las más de 135000 millones de estrellas de la Vía Láctea.

El Sol es un inmenso reactor de fusión termonuclear que quema cada segundo 6×10⁸TM de hidrógeno a 2×10⁷ K. La radiación que emite tarda algo más de 8 min en alcanzar nuestro planeta, a razón de 3×10⁵km/s. De la radiación solar sólo llega un 51.6% a la superficie de la tierra. Los restantes 48.4% se pierde como reflexión (31%) y absorción (17.4%) en la capa de aire. La intensidad del Sol se mide en kW/m² o por MJ/m². (Larrea & Bayas, 2011, pág. 2)

Romero (2009) afirma que la radiación solar es un flujo de energía que el Sol irradia uniformemente en todas las direcciones del espacio en forma de ondas electromagnéticas. Los rayos solares inciden permanente en un flujo de aproximado de 1,36 kW/m² a la atmósfera externa de la Tierra.

b) Características.

Las características que presenta la energía solar son la dispersión e intermitencia, las que la diferencia de las energías convencionales.

El primero se debe a que, en condiciones favorables, la densidad de la energía del Sol es alrededor de 1000 W/m², considerando que los sistemas requieren mayor energía, este valor es insuficiente si se requiere producir trabajo. Esto hace necesario que, para obtener densidades energéticas elevadas, se requiere de superficies de captación o de concentración de los rayos solares.

La otra característica de intermitencia o no continua hace necesario de sistemas de almacenamiento de la energía solar captada.

Deben considerarse dos fuentes de variación de la radiación extraterrestre. La primera es la variación en la radiación emitida por el Sol. Hay reportes contradictorios en la literatura sobre las variaciones periódicas intrínsecas de la

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radiación solar. Se ha sugerido que hay variaciones pequeñas (menor a ±1.5%) con diferentes periodicidades y variaciones relacionadas a las manchas solares.

Las mediciones de los satélites Nimbus y Mariner de diferentes periodos y meses muestran variaciones dentro de los límites de ±0,2% en los instantes cuando la actividad de las manchas solares fue muy baja. La información de Hickey et al.

(1982) de 2,5 años del satélite Nimbus 7 sugieren que la constante solar disminuye mínimamente, en una razón aproximada de 0,02% por año. Para propósitos de ingeniería, en vista de la incertidumbre y variabilidad de la transmisión atmosférica, la energía emitida por el Sol puede considerarse constante. La segunda es la variación de la distancia de la Tierra al Sol, sin embargo, genera una variación del flujo de la radiación extraterrestre en el rango de ±3,3%. (Duffie & Beckman, 2006, págs. 7-8)

La radiación solar abarca todo el espectro electromagnético, la que se muestra en la siguiente figura, pero el intervalo de la longitud de onda de la energía que incide mayormente en la Tierra se concentra en la región de 380-800 nm, que corresponde al espectro denominado región del visible. Las radiaciones en el rango de 200 y 800 nm corresponden a la región ultravioleta (UVC, UVB, UVA) y la región visible; y son las que interactúan con los electrones de una molécula para que degraden los contaminantes.

Figura 1. Espectro electromagnético de la luz solar.

Fuente: (Ortiz D. , 2016, pág. 36) c) Tipos de la radiación solar.

Loayza (2012) diferencia los tipos y terminologías de la radiación solar, considerando las transformaciones que sufre al incidir en la atmósfera terrestre tenemos los siguientes:

 Radiación directa: Se recibe directamente del Sol.

 Radiación difusa: Se recibe del Sol después de ser desviada por dispersión atmosférica.

 Radiación reflejada o terrestre: Proviene del reflejo de objetos terrestres.

 Radiación total: Es la suma de las radiaciones directa, difusa y reflejada.

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 Radiación global: Es la suma de las radiaciones directa y difusa. Esta radiación se utiliza para el cálculo de colectores solares.

Para medir la radiación solar se utilizan los términos de irradiancia, rapidez o velocidad de incidencia de energía radiante sobre una superficie (W/m²). También el término irradiación, que es la cantidad de energía radiante por unidad de área (J/m²).

Estos valores dependen de diversas variables, principalmente del clima y de las condiciones meteorológicas, de la altura sobre el nivel del mar y de la horizontalidad de la superficie colectora, etc.

d) Usos de la energía solar.

Primo & García (2013) detalla las formas de aprovechamiento de la energía solar y son las siguientes:

 Energía solar térmica: se aprovecha la energía solar para calentar un fluido para producir agua caliente para uso doméstico o industrial e incluso vapor para diversos fines, uno de ellos es la generación de energía.

 Energía solar fotovoltaica: se transforma directamente la energía solar en energía eléctrica en un panel fotovoltaico cuyo fundamento es el efecto fotovoltaico.

Respecto a la distribución de la energía solar involucra:

 Radiación ultravioleta: Es la de menor longitud de onda, aproximadamente entre 300 y 400 nm, es alrededor del 5% de la energía.

 Radiación visible: Corresponde a longitudes de onda entre 400 y 700 nm, aproximadamente el 43% de la energía.

 Luz visible que atraviesa la atmósfera limpia, pero cuando hay nubes, parte de ella es absorbida o reflejada.

 Radiación infrarroja: Corresponde a longitudes de onda más largas, alrededor de 700-2500 nm, corresponde al 52% de la energía total suministrada.

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Figura 2. Espectro solar en la superficie de la tierra.

Fuente: (Primo & García, 2013, pág. 151)

El presente escenario de la energía en el mundo exhibe que la mayoría de requerimientos de energía son los combustibles fósiles, los cuales ahora no pueden formarse a una velocidad significativa. También estos combustibles fósiles no son ambientalmente amigables y emiten una cantidad significativa de contaminantes causando serios asuntos medioambientales como el calentamiento global, reducción drástica de la capa de ozono y cambio climático. Las fuentes renovables de energía, con ventajas de ser ambientalmente amigables y abundantes en su disponibilidad, es la opción prometedora para responsabilizarse de la demanda creciente de energía en todo el mundo. Sin embargo, los sistemas de energías renovables presentan baja eficiencia de conversión, por consiguiente, usar los sistemas de energías renovables para aplicaciones de la vida real en forma regular requiere consideraciones especiales. (Park, Pandey, Tyagi, & Tyagi, 2014, pág. 106)

Actualmente, la energía renovable es considerada como la clave para un futuro energético sostenible. Puede tener un impacto beneficioso en los temas ambientales, económicos y políticos del mundo. El aumento del precio del combustible fósil (sólido, líquido o gaseoso), el cambio climático, los impactos ambientales adversos (en resumen el respeto de los acuerdos de Kyoto) hace la exploración de una manera sostenible para utilizar la energía más importante que nunca. (Dagdougui, Ouammi, Robba, & Sacile, 2011, pág. 631)

“El uso de sistemas de energías renovables para aplicaciones reales ha incrementado en las últimas décadas (…). Las fuentes de energías renovables son limpias y libremente disponibles en la naturaleza, sin embargo, la utilización eficiente es todavía una causa de preocupación entre las comunidades científicas y empresariales” (Park, Pandey, Tyagi, & Tyagi, 2014, pág. 105).

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“Entre estas fuentes renovables, la energía solar ha recibido una atención considerable debido a su facilidad de acceso y alta potencialidad para generar electricidad y calor” (Jafarkazemi & Ahmadifard, 2013, pág. 55).

“Los procesos de industrialización y desarrollo económico requieren suministros importantes de energía. (…). La energía solar se considerada como una de las principales fuentes de energía prometedoras sustitutivas para reemplazar la dependencia de los recursos energéticos fósiles” (Cruz, Palomar, Casanova, Dorado,

& Manzano, 2012, págs. 1709-1710).

La energía de radiación solar es una forma de las fuentes de energías renovables (RES). Puede ser ampliamente utilizada por ejemplo para el calentamiento de agua en sistemas de agua caliente, piscinas, así como también fuentes de energía de soporte para instalaciones de calefacción. La energía de la radiación solar se convierte a calor con colectores solares. Actualmente los colectores más usados son los de placa plana de líquido (opera con tubos en paralelo o en serpentín) y estructuras basadas en el vacío. (Zima & Dziewa, 2010, pág. 47)

Soteris (citado por Dagdougui, Ouammi, Robba, & Sacile, 2011) plantea que los beneficios derivados de la instalación y operación de sistemas de energías renovables se pueden clasificar en tres categorías: ahorro de energía, generación de nuevos puestos de trabajo, y disminución de la contaminación ambiental.

La energía solar puede ser utilizada en tres procesos tecnológicos: químicos, eléctricos y térmicos (Figura 3). Proceso químico, a través de la fotosíntesis, mantiene la vida en la Tierra mediante la producción de alimentos y la conversión de CO2 en O2. Proceso eléctrico, utilizando convertidores fotovoltaicos, proporciona la energía para naves espaciales y se utiliza en muchas aplicaciones terrestres. Proceso térmico se puede utilizar para proporcionar gran parte de la energía térmica necesaria para el calentamiento solar de agua y de calefacción de edificios. Otra forma de conversión de la radiación solar es en energía mecánica como viento y vapores de agua. (Jesko, 2008, pág. 22)

Figura 3. Conversión de la radiación solar en otras formas de energía.

Fuente: (Jesko, 2008, pág. 22)

El Sol (…) puede ser utilizado directamente o indirectamente. Directamente puede utilizarse para la fotosíntesis o convertir en electricidad usando módulos solares fotovoltaicos. (…). Indirectamente puede utilizarse en el calentamiento del

Energía solar

Energía química Energía eléctrica Energía mecánica Energía térmica

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medio usando colectores solares para aplicaciones de calentamiento baja/medio de la temperatura como el secado solar, calentamiento solar de agua y cocina solar. (Park, Pandey, Tyagi, & Tyagi, 2014, págs. 106-107)

El acoplamiento de diferentes fuentes de energía (energía solar, geotérmica, eléctrica, etc.) habilita la realización de sistemas integrados con alta optimización del rendimiento térmico el cual, a pesar de los costos del sistema iniciales altos, pueden conducir al ahorro de energía excepcional, si comparamos con sistemas de calentamiento estándar. (Tagliafico, Scarpa, & De Rosa, 2014, pág. 527)

También, y aunque pueda parecer extraño, otra de las más prometedoras aplicaciones de la energía solar es la refrigeración durante las épocas cálidas precisamente cuando más radiación solar incide sobre la Tierra (…).

En la agricultura, las aplicaciones son diversas como invernaderos solares para tener más cosechas y más tempranas, los secadores solares requieren menos energía, (…), pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Las celdas fotovoltaicas también juegan un papel muy importante, generando energía eléctrica que puede utilizarse para bombeo de agua, para el ganado o para las cosechas.

La industria ha entendido la necesidad mundial de contaminar menos y al mismo tiempo de evaluar tecnologías alternas para el ahorro de energía. La industria solar ha estado por mucho tiempo a la saga de otras fuentes de energía, pero cada vez es más visible el avance de los proyectos construidos que utilizan la energía solar ya sea para calentar agua u obtener energía eléctrica.

Desde hace algún tiempo, en los países del mundo se instalan y operan económicamente las centrales solares térmicas en el rango de megavatios. (Peña, 2007, págs. 14-15)

e) Radiación solar en el Perú.

Perú está considerado entre los seis países con mayor incidencia de energía solar en el planeta. Al encontrarse entre el paralelo 0º 08’ latitud norte y 18º 13’ latitud sur, dentro de los trópicos, dispone de energía solar con poca variación anual, en comparación con las latitudes medias y altas. Los valores extremos de radiación solar son en promedio de 1340 y 1350W/m² durante los meses de verano e invierno, respectivamente; esto es ignorando la presencia de la capa atmosférica.

Esta poca variación se atribuye al hecho que en estas latitudes los rayos solares son casi perpendiculares a la superficie terrestre durante todo el año, dando lugar a una máxima incidencia de la radiación solar por unidad de área y tiempo.

La presencia de la atmósfera reduce considerablemente la radiación solar incidente sobre la superficie de la Tierra, (…) en función a sus constituyentes gaseosos y aerosoles presentes en ella, tiene la capacidad de absorber, dispersar y reflejar la radiación solar. La cantidad de radiación transmitida por la atmósfera es menor si mayor es la concentración de ozono, vapor de agua, dióxido de carbono y aerosoles en la atmósfera. La concentración y cantidad (…) disminuye con la altitud, por esta razón (…) la radiación solar incidente aumenta considerablemente en la sierra peruana. Esta región se encuentra principalmente entre los 2000 y 3000 m de altitud y ocupan un 30% del territorio nacional. En las zonas de mayor altitud; como la meseta Titicaca y las Pampas de Junín, la radiación incidente es mucho mayor.

La intensidad y cantidad de radiación solar incidente sobre la superficie es también controlada por la clase y cantidad de nubes presentes durante el día, y aquellas predominantes durante el año. En la costa peruana, específicamente en Pisco-Ica y costa norte, el cielo está despejado casi todo el año permitiendo una

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mayor incidencia de radiación solar. En el resto de la costa baja, la radiación solar incidente aumenta de invierno a verano por efectos estacionales y la disminución de la nubosidad. En la sierra y ceja de selva, la nubosidad es mínima o nula en el invierno y la cantidad de vapor de agua es muy pequeña. Las nubes predominantes en la sierra y selva son de corta vida durante el verano, lo cual no disminuye mucho la radiación incidente sobre la superficie. (Ministerio de Energía y Minas, 2003)

Por convención internacional, las latitudes del hemisferio sur, austral o meridional se consideran negativas. Perú se extiende desde la latitud más septentrional o más al norte de 0º 01’ 48’’ S (Talweg del río Putumayo al norte de la confluencia de los ríos Güepi y Putumayo en la frontera con Colombia, provincia de Maynas, departamento de Loreto), hasta la latitud más meridional o más al sur de 18º 21’

03’’ S (hito Nº 1 de la Concordia, frontera con Chile, a la orilla del mar, inmediatamente al sur del paraje llamado Pascana de Hueso, provincia de Tacna, departamento de Tacna).

La segunda y última coordenada necesaria para definir la ubicación de una localidad sobre la superficie de la Tierra es la longitud, que es la medida del meridiano terrestre en que se encuentra un lugar específico. Perú se extiende desde la localidad más oriental o más al este en la longitud 68º 39’ 27’’ O (confluencia de los ríos Heath y Madre de Dios, provincia de Tambopata, departamento de Madre de Dios), hasta la localidad más occidental o más al oeste en la longitud 81º 19’ 34’’ O (Punta Pariñas o Balcones, provincia de Talara, departamento de Piura).

También recordemos que existen definidos 24 meridianos alrededor de la Tierra, empezando a contarse de Greenwich (barrio de Londres). El tiempo registrado para medianoche en el meridiano de Greenwich se conoce como el tiempo civil o estándar de Greenwich, TCG o tiempo universal, y sabemos que este tiempo se expresa en la escala de una hora desde 0 hasta 24. Así, las 0 horas es la medianoche, y las 12 horas es el mediodía. Cada uno de los meridianos se traza a cada 15º siendo así que el Sol tarda 1 hora en pasar cada uno de ellos. Se definen los husos horarios de la Tierra coincidentes con estas divisiones, al Oeste del huso horario de Greenwich está el primer huso horario oeste con tiempo internacional de 1 hora menos que Greenwich. Perú se encuentra en el quinto huso horario oficial, es decir, a cinco husos que equivale a 75º al oeste de Greenwich o a 5 horas atrás del tiempo de Greenwich. (Universidad Pontificia Católica del Perú, 2003)

f) Orientación e inclinación.

Los sistemas solares, como algún otro sistema, necesitan operar con el máximo rendimiento posible. Esto puede ser logrado por diseño correcto, construcción, instalación, y orientación. No obstante, el funcionamiento de un colector solar es altamente influenciado por su orientación (con respecto al Ecuador) y su ángulo de inclinación con la horizontal (con respecto al suelo). Esto es debido al hecho que la orientación y el ángulo de inclinación cambian la radiación solar que incide en la superficie del colector. (Skeiker, 2009, pág. 2439)

“La orientación del colector está descrita por su ángulo de azimut e inclinación.

Los sistemas generalmente, instalados en el hemisferio norte están orientados al sur e inclinados a un cierto ángulo” (Shariah, Al-Akhras, & Al-Omari, 2002, pág. 587)

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“El ángulo de inclinación (β) de cualquier colector es el ángulo entre el plano de la superficie del colector y la horizontal, es óptimo cuando el ángulo de incidencia es mínimo para que la radiación directa sea el máximo” (Skeiker, 2009, pág. 2440).

El ángulo de inclinación es uno de los parámetros importantes para captar la máxima radiación solar que incide en los paneles solares. Este ángulo es único para cada lugar y es función del día, mes y año por la posición del Sol. La determinación exacta (…) para cada lugar de interés es esencial para la producción de la energía máxima por el sistema. Se encuentra que la ganancia de energía es más para el ángulo de inclinación óptimo mensual que estacional o anual para cualquier posición. (Kumar & Chandel, 2013, pág. 503)

Los colectores se orientan al sur en el hemisferio norte y al norte en el sur, con una inclinación respecto al Sol que depende de tres condiciones de utilización, que son:

 El valor de la latitud del lugar para instalaciones de utilización en todas las estaciones del año (por ejemplo 12º en Huancayo)

 +10º respecto de lo anterior, si la es sólo durante el invierno.

 –10º si la utilización principal se produce sólo durante el verano.

(Universidad Pontificia Católica del Perú, 2003)

Actualmente, se realizan muchas investigaciones para determinar del ángulo de inclinación y acimut óptimo, estas se diferencian en el lugar de estudio, tipo de colector solar y enfoque del modelo matemático. Prácticamente todas estas investigaciones se enfocaron para lugares del continente asiático o europeo.

2.2.2. Aguas residuales.

Es común el problema de acceso al agua potable y saneamiento para todas las personas del mundo, lo crítico es que en los próximos años será aún mayor, inclusive en regiones que actualmente disponen de agua. La única alternativa de solución es realizar diversas investigaciones para identificar nuevos métodos robustos de purificación y tratamiento del agua, económicos, con menos requerimiento de energía, reducir al mínimo el uso de productos químicos y el impacto sobre el medio ambiente.

Las aguas residuales, según OEFA (2004), son aquellas cuyas características originales se modificaron por las diversas actividades del hombre y si se desea reutilizarlo requieren un tratamiento previo. Actualmente, estas aguas son vertidas a un cuerpo natural de agua o descargadas al sistema de alcantarillado. Mientras que para Espigares & Pérez (1985), las aguas residuales se pueden definir como aquellas que, por el uso del hombre, representan un peligro y deben ser desechadas, porque contienen gran cantidad de sustancias y/o microorganismos.

Para Shannon, Bohn, Elimelech, Georgiadis, Mariñas & Mayes (2008) (citados por Malato, Fernández, Maldonado, Blanco & Gernjak, 2009), la única opción para el

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mundo sería la regeneración y la reutilización del agua, es decir captar las aguas residuales industriales o municipales y restaurarla en agua potable. Las aguas residuales municipales son comúnmente tratados en sistemas de lodos activados que utilizan biomasa para eliminar sustancias orgánicas y nutrientes, para la separación entre el agua y los sólidos se utilizan sedimentadores. El efluente de este tratamiento tiene características para ser descargado al ambiente o ser utilizado para el riego de plantas.

Otros sistemas actuales de reutilización de aguas residuales utilizan secuencialmente al proceso de lodos activados convencional, un tratamiento de microfiltración del efluente secundario, y para eliminar las especies disueltas y sustancias coloidales se utiliza un sistema de membranas (Osmosis Inversa, RO). Otras opciones son los bioreactores de membrana (MBR).

a) Principales características de las aguas residuales.

Las características de las aguas residuales definen el tipo de tratamiento que necesitan para recuperar su calidad, así como para la gestión técnica de la calidad ambiental, según Espigares & Pérez (1985) tenemos:

Características físicas.

 Turbidez. Es la medida de la propiedad de transmisión de la luz del agua, indica la calidad de los efluentes con respecto a la materia suspendida.

 Color. Indica la edad de las aguas residuales. El agua residual reciente suele ser gris; según como las bacterias descomponen los compuestos orgánicos la coloración cambia a negro y el oxígeno disuelto en el agua residual disminuye. En esta condición se al agua residual como séptica.

 Olor. La descomposición de la materia orgánica produce gases los cuales generan olores desagradables, especialmente el ácido sulfhídrico y otras sustancias volátiles. El olor del efluente reciente es desagradable, pero más tolerable que el agua residual séptica.

 Sólidos totales. En función a su tamaño o presentación se clasifican en:

 Sólidos suspendidos. Son las partículas flotantes, como trozos de vegetales, animales, basuras, etc., y aquellas otras que también son perceptibles a simple vista y que pueden ser separadas del fluido por medios físicos simples. En estos sólidos se pueden diferenciar los sólidos sedimentables, que sedimentan en los receptores y miden aproximadamente la cantidad de fango a eliminar.

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 Sólidos filtrables. Los componen sólidos coloidales y disueltos. La parte coloidal comprende partículas de diámetro en el rango de 10- 3 y 1 μm, la que no se separa por sedimentación. Estos sólidos son moléculas orgánicas e inorgánicas e iones. Generalmente, se necesita coagular y luego sedimentar para eliminar estas partículas.

 Temperatura. Su valor es mayor que las aguas no contaminadas porque las reacciones bioquímicas que degradan la materia orgánica son exotérmicas y por lo cual liberan energía. También los efluentes calientes incrementan la temperatura.

Características químicas.

Las características químicas son función de los residuos que ingresan al efluente, estas pueden ser:

 Materia orgánica. Está compuesta de 90% de carbohidratos, proteínas, grasas y aceites provenientes de excrementos y orina de seres humanos, restos de alimentos y detergentes. Estos contaminantes son biodegradables porque pueden ser transformados en compuestos más simples por la acción de microorganismos naturales presentes en el agua, cuyo desarrollo se ve favorecido por las condiciones de temperatura y nutrientes de las aguas residuales domésticas. La urea, principal constituyente de la orina, es otro importante compuesto orgánico del agua residual. Por su rapidez de descomposición, raramente está presente en un efluente.

El agua residual contiene también pequeñas cantidades de moléculas orgánicas sintéticas como agentes tensoactivos, fenoles y pesticidas usados en la agricultura.

 Materia inorgánica. En este grupo se consideran generalmente a los sólidos de origen mineral, como sales minerales, arcillas, lodos, arenas y gravas no biodegradables.

 Gases. Dependiendo de la fuente que lo genera, los efluentes contienen gases con diferente concentración, entre ellas tenemos:

 Oxígeno disuelto. Es el indicador más importante que mide la calidad del agua, es un gas que está presente en un agua no contamina y que se consume por la actividad química y biológica en la degradación de materia orgánica. El oxígeno disuelto

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presente en el efluente evita la formación de olores desagradables y su concentración es función de muchos factores, como temperatura ambiente, altitud, movimientos del curso receptor, actividad biológica y química, etc.

 Ácido sulfhídrico. Es producto de la descomposición de la materia orgánica que contiene azufre o por la reducción de sulfitos y sulfatos minerales. Es un indicativo de la evolución y estado de un agua residual.

 Dióxido de carbónico. Es producto de la fermentación de los compuestos orgánicos de las aguas residuales negras.

 Metano. En la descomposición anaerobia de la materia orgánica por la reducción bacteriana del CO2.

Características biológicas.

Estas características los define la clase de microorganismos presentes en el efluente y son:

 Bacterias. Juegan un papel fundamental en la descomposición y estabilización de la materia orgánica.

Se pueden clasificar, por su metabolismo, en heterótrofas y autótrofas.

 Bacterias autótrofas. Son las que se nutren de compuestos inorgánicos, las bacterias fotosintéticas (familia Thiorhodaceae y Chlorobiaceae) absorben la energía necesaria para sus biosíntesis a partir de la luz y las bacterias quimiosintéticas (Nitrobacter, Nitrosomonas, Hydrogenomonas y Thiotrix) a partir de determinadas reacciones químicas.

 Bacterias heterótrofas. En el tratamiento biológico representa el grupo más importante, por su necesidad de compuestos orgánicos para el carbono celular.

Ambas bacterias pueden dividirse en anaerobias, aerobias, o facultativas, en función a su necesidad de oxígeno.

 Bacterias anaerobias. Son aquellas que en presencia de oxígeno disuelto no subsisten y consumen el oxígeno de los sólidos orgánicos e inorgánicos. Una característica de un sistema anaerobio es la presencia de malos olores.

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 Bacterias aerobias. Requieren de oxígeno disuelto o libre (molecular) del agua para su alimento y respiración. Las descomposiciones y degradaciones aerobios no presentan malos olores.

 Bacterias facultativas. Algunas bacterias aerobias y anaerobias pueden llegar a adaptarse al medio opuesto.

 Bacterias coliformes. Son indicadores de contaminantes y patógenos, y usualmente se encuentra en el tracto intestinal de los seres humanos y otros animales de sangre caliente. Las bacterias coliformes incluyen los géneros Escherichiay Aerobacter.

b) Clasificación de las aguas en función a su origen.

Considerando el origen que genera las aguas residuales, se clasifican en:

 Aguas residuales domésticas o aguas negras (aguas servidas). Son producto de las heces y orina del hombre, del aseo personal y de las diferentes actividades de la casa como la preparación de alimentos y limpieza.

Generalmente contiene mayor cantidad de materia orgánica y microorganismos, así como restos de detergentes, jabones, lejía y grasas.

 Aguas blancas. Su origen puede ser de procedencia atmosférica (lluvia, nieve o hielo) del riego y limpieza de calles, parques lugares públicos. Cuando las precipitaciones son considerables se requiere sistemas de evacuación independiente.

 Aguas residuales agrícolas. Proceden de la actividad agrícola en las zonas rurales. Es común encontrar en diversos lugares que se utilizan las aguas urbanas regar las siembras con o sin un tratamiento previo.

 Aguas residuales industriales. El origen es por los diversos materiales e insumos que se utilizan en los procesos industriales y contienen aceites, detergentes, antibióticos, ácidos y grasas y otros productos y subproductos de origen mineral, químico vegetal o animal. Sus características son altamente variables y depende del tipo de industria.

2.2.3. Aguas residuales textiles.

Para Tinoco, Medina, & Zapata (2012), la industria textil es uno de los principales sectores que utiliza considerables cantidades de agua, energía y compuestos químicos, por lo que la cantidad del agua residual es considerable y poseen altas concentraciones

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de colorantes, contaminantes orgánicos refractarios, compuestos tóxicos, compuestos inhibidores, tensoactivos, componentes clorados. Por ello es un efluente de más difícil tratamiento. Los colorantes textiles son muy persistentes en el ambiente, y los métodos clásicos de eliminación no son adecuados por las oxidaciones o reducciones parciales que pueden generar productos secundarios altamente tóxicos.

Figura 4. Clasificación de los contaminantes en las aguas residuales textiles.

Fuente: (Tinoco, Medina, & Zapata, 2012, pág. 10)

Zollinger (2003) (citado por Pekakis, Xekoukoulotakis &Mantzavinos, 2006) distinguen que la concentración de colorantes en aguas residuales es generalmente más baja que cualquier otro producto químico presente en estos efluentes, pero por su coloración intensa son visibles incluso en concentraciones muy bajas, lo que produce una contaminación estética y de contaminación en disposición de aguas. Por ello, los métodos para la decoloración de las aguas residuales textiles han recibido considerable atención en los últimos años. Estas características lo confirman Mounir, Pons, Zahraa, Yaacoubi & Benhammoue (2007) e indican que, por complejidad y variedad de colorantes empleados en los procesos de teñido, es difícil encontrar un tratamiento único que asegura la eliminación completa de todos los tipos de colorantes.

Materias en suspensión Fibras, trapos, tierra…

Materias flotantes Grasas y aceites

tensoactivos

Impurezas disueltas DQO DBO conductividad toxicidad metales pesados N–P–PH

Temperatura Baños calientes

de proceso

Color Colorantes,

grasas, etc.

Gusto y olor Fenoles, disolventes,

sulfuros, reductores…

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Houas, Lachheb, Ksibi, Elaloui, Guillard & Hermann (2001) (citados por Prieto, Fermoso, Nuñez, Del Valle, & Irusta, 2005) resaltan que los colorantes textiles y otros colorantes industriales son probablemente los compuestos orgánicos que impactan negativamente al ambiente, porque entre el 1% y 20% de los colorantes producidos mundialmente se desechan en el teñido y son parte de los efluentes textiles de color. En este sentido Bianco, Baiocchi, Brussino, Pramauro, Savarino, Augugliaro, Marci &

Palmisano (2001) (citados por Prieto, Fermoso, Nuñez, Del Valle, & Irusta, 2005) complementan indicando que estos efluentes generan una contaminación poco estética y la eutrofización, y que pueden producir subproductos peligrosos por oxidación, hidrólisis u otras reacciones químicas. Además, Easton (1995) (citado por Prieto, Fermoso, Nuñez, Del Valle, & Irusta, 2005) indica que la coloración de estos efluentes se relaciona con los artículos de algodón y el uso de colorantes azoicos reactivos, y que hasta un 30% de los colorantes están presentes en los efluentes.

Bae & Freeman (2007) (citados por Mounir, Pons, Zahraa, Yaacoubi, &

Benhammoue, 2007) resaltan que las aguas residuales textiles se caracterizan por una alta demanda química de oxígeno (DQO), una biodegradabilidad baja, un alto contenido de sal y el color. Si se descargan al medio ambiente sin ningún tratamiento son muy perjudiciales.

Reife & Freeman (1996) (citados por Pekakis, Xekoukoulotakis & Mantzavinos, 2006) indican que el carácter complejo y bioresistentes de los efluentes textiles, su tratamiento eficaz y su decoloración, generalmente requiere una combinación de diferentes tecnologías biológicas físicas, químicas y entre estas técnicas, los de interés práctico son: (i) la adsorción sobre carbón activado, (ii) la coagulación y la floculación seguido por sedimentación o flotación por aire disuelto, (iii) escisión reductora de los tintes que contienen azo u otros grupos reducibles, (iv) oxidativo la degradación por cloro y por el ozono, (v) la oxidación electro-química, y (vi) aeróbico y el tratamiento biológico anaeróbico.

2.2.4. Tratamiento de aguas residuales.

Acosta (2009) resalta diversos aspectos relacionados al tratamiento de aguas residuales entre las que se destaca que:

 Los posibles tratamientos para un efluente es función de su caracterización, tanto en las materias contaminantes que pueda contener, como en los componentes mayoritarios que, aunque no sean tóxicos, pueden tener mucha influencia a la hora de decidir el tratamiento adecuado. La otra información

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importante es el caudal del efluente, así como las variaciones en caudal que puedan producirse y la composición. Los problemas del tratamiento de los efluentes contaminados pueden resolverse de varias maneras:

 Reciclando el agua tratada.

 Intercambiando residuos. A través de la utilización de residuos generados por industrias próximas entre sí, estos pueden ser materia prima en otro proceso.

 Minimizando o no produciendo efluentes. Mediante la modificación de las características de los productos o del proceso de producción, con la finalidad que genere efluentes con menor contaminantes.

 Segregando los efluentes con características especiales y tratándolos independientemente.

 Concentrándolos con el resto.

 Concentrándolos y trasladándolos a una planta para su respectivo tratamiento.

 En la actualidad, los tratamientos de contaminantes en agua son muy diversos entre las de mayor frecuencia son:

 Tratamientos naturales. Estos tratamientos no son muy utilizados comúnmente para las aguas residuales industriales, porque requieren condiciones de contaminación muy específicas, deben tener los vertidos de partida unas condiciones de contaminación muy específica y comparable a los urbanos. Sin embargo, son muy utilizados debido a su bajo coste y su naturaleza ecológica. Entre ellos están tenemos el filtro verde y el lagunaje.

 Tratamientos primarios. Son los procesos o conjunto de procesos que tienen como misión la separación por medios físicos de partículas en suspensión que existan en el agua a tratar. Se suelen incluir procesos como: la decantación, homogenización, cribado o filtrado, coagulación, floculación, precipitación y neutralización.

 Tratamientos secundarios. Básicamente son procesos biológicos, aerobios y anaerobios, que tienen como objetivo degradar la materia orgánica biodegradable.