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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
REDUCCIÓN DE NITRITOS UTILIZANDO UN BIOFILTRO CON ASTILLAS DE EUCALIPTO “Eucalyptus Globulus” PARA MEJORAR LA CALIDAD DE
UN EFLUENTE PISCÍCOLA
Tesis
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico Presentado por:
BARRERA RIVERA, GREASSE PUCUHUANCA GONZALES, JORGE LUIS
HUANCAYO – PERÚ 2020
2 1. TITULO
REDUCCIÓN DE NITRITOS UTILIZANDO UN BIOFILTRO CON ASTILLAS DE EUCALIPTO “Eucalyptus Globulus” PARA MEJORAR LA CALIDAD DE
UN EFLUENTE PISCÍCOLA
3 2. NOMBRE DEL ASESOR
Dr. Abel Filomeno Inga Díaz
4 3. DEDICATORIA
En primer lugar, doy infinitamente gracias a Dios, por haberme dado fuerza y valor para culminar esta etapa de mi vida.
Agradezco también la confianza y el apoyo de mi madre, que en el trayecto de mi vida me ha demostrado todo su amor, corrigiendo mis faltas y celebrando mis triunfos.
A mi hermano José, tomando siempre la figura paterna, que con sus consejos me ha ayudado a enfrentar los retos que se me han presentado a lo largo de mi vida.
A mis hermanas Nancy, Edith, Celia y Daysy, quienes han sido parte de mi formación profesional y haberme enseñado a salir siempre adelante.
A mi padre, que siempre lo he sentido presente en mi vida. Y sé que está orgulloso de la persona que me he convertido.
Finalmente, a Greasse, mi compañera y amiga con la que hice realidad este proyecto y por la gran calidad humana que me ha demostrado con su amistad.
Pucuhuanca Gonzales
Dedico este trabajo a mis padres quienes me otorgaron la mejor herencia, mi educación. A mi compañero de vida quien me apoyo incondicionalmente en este logro profesional. A mi familia por la guía brindada y consejos que me fortalecieron para lograr este objetivo y en especial a mi hijo quien fue, es y será la fuerza motriz para seguir adelante superándome día a día.
Barrera Rivera
5 4. AGRADECIMIENTO
No ha sido sencillo el camino hasta ahora, pero gracias a sus aportes, a su amor, a su inmensa bondad y apoyo, lo complicado de lograr esta meta se ha notado menos. Les agradezco, y hago presente mi gran afecto hacia ustedes, mi hermosa familia. ¡MUCHAS GRACIAS!
6 5. RESUMEN
En la presente investigación se realizó el análisis del tiempo de retención hidráulica y el tamaño de astillas de eucalipto en un biofiltro, donde se realizó la remoción de nitritos del efluente piscícola Rumihuasi, los tamaños de astillas evaluados fueron de 0,2 cm, 1 cm y 4,5 cm, los tiempos de retención hidráulicas estudiados fueron de 1 h, 2 h y 3 h, para realizar el tratamiento primero se realizó la caracterización de nitritos presentes en el efluente piscícola, el análisis del agua se realizó por el método MS-4500-NO2- colorimétrico en el laboratorio de análisis químico de la universidad nacional del centro del Perú, el reporte del análisis indico que la concentración inicial de nitritos fue de 1,577 ppm, después del tratamiento por biofiltración se analizó las concentraciones de nitritos, observando que a un tiempo de retención hidráulica de 1 h, se obtuvo un porcentaje de remoción del 50 % , cuando se trabajó con 2 h de retención hidráulica se obtuvo una remoción del 75 % y al realizar el tratamiento con 3 h de retención hidráulica se logró una remoción del 99 % , al trabajar con 0,2 cm de astillas de eucalipto se obtuvo una remoción del 88 %, cuando se utilizó la astilla de 1 cm en el biofiltro se obtuvo una remoción del 99 %, pero al trabajar con la astilla de 4,5 cm el porcentaje de remoción fue de 88 %, de los resultados obtenidos se deduce que el tiempo de retención hidráulica óptimo es el de 3 h y el tamaño de astillas de eucalipto que logra una mejor remoción fue el de 1 cm. También se evaluó el cambio de la concentración de nitritos en función al tiempo, el cual indico que la cinética de primer orden sigue mejor el proceso presentando un R2 de 0,9981.
7 6. INTRODUCCIÓN
La descarga directa de efluentes residuales de las actividades industriales a los cuerpos de agua constituye un problema ambiental, ya que generan incrementos de las concentraciones de los contaminantes al mezclarse con los receptores (Vizcaíno Mendoza
& Fuentes Molina, 2016).
Los procesos de descomposición de los nitrogenados influyen en la calidad química del agua subterránea con la adición de iones nitratos y nitritos, el elemento más nocivo es el nitrito, estudios realizados por la organización mundial de la salud han encontrado que concentraciones elevadas de nitritos en el agua pueden provocar la enfermedad metahemoglobinemia provocando intoxicación de la sangre alcanzando consecuencias fatales en varios casos, la población infantil es la más afectada, también produce la formación de nitrosaminas, el cual tiene acción cancerogénica resultando peligrosa para el hombre (Vázquez Taset, 2010).
Los biofiltros son una buena alternativa para el tratar las aguas residuales por la capacidad de remoción de contaminantes, resultando ser eficientes y económicos, con la finalidad de que las aguas residuales no sean emitidas directamente a la cuenca hídrica afectando la fauna y flora (Herrera Velasquez & Rey Calderon, 2018).
Por lo expuesto, la presente investigación se enfoca en mejorar la calidad del efluente piscícola de Rumihuasi, con el fin de disminuir el impacto causado en la fauna y flora, por ello se empleará un biofiltro relleno con astillas de Eucalyptus globulus, en el cual se determinó el tiempo de retención hidráulica y el tamaño de astilla que obtengan mayor remoción de nitritos, para lo cual se realizó la búsqueda de antecedentes y el marco teórico, esto nos ayudó a tener más conocimiento sobre el tema, en la parte experimental se describió los materiales, equipos y la metodología experimental, donde se menciona el procedimiento realizado en la remoción de nitritos con un biofiltro, finalmente se presentaron los resultados obtenidos del tratamiento, con el cual se determinó el tiempo de retención hidráulica y el tamaño de astillas que remueven mayor concentración de nitritos.
8 7. OBJETIVOS
Objetivo general
Determinar el efecto del tiempo de retención hidráulica y el tamaño de astillas de Eucalyptus Globulus utilizando un biofiltro en la reducción de nitritos para mejorar la calidad de un efluente piscícola.
Objetivos específicos
• Determinar la concentración inicial de nitritos en el efluente piscícola.
• Determinar el tiempo de retención hidráulica que reduce mayor concentración de nitritos utilizando un biofiltro con astillas de Eucalyptus Globulus para mejorar la calidad de un efluente piscícola.
• Identificar el tamaño de astillas de Eucalyptus Globulus utilizando un biofiltro que reduce mayor concentración de nitritos utilizando un biofiltro para mejorar la calidad de un efluente piscícola.
9 8. SIMBOLOGIA UTILIZADA
FONDEPES: Fondo nacional de desarrollo pesquero ECA: Estándares de calidad ambiental
SUNASS: Superintendencia nacional de servicios y saneamiento MINAM: Ministerio del ambiente
pH: Potencial de hidrógeno
CONAMA: Comisión nacional del medio ambiente
MINVI: Ministerio de vivienda, construcción y saneamiento UTM: Universal transversal de Mercator
PVC: Policloruro de vinilo
LMP: Límites máximos permisibles
PTAR: Planta de tratamiento de aguas residuales TRH: Tiempo de retención hidráulica
OMS: Organización mundial de la salud
FAO: Organización de las naciones unidas para la agricultura y la alimentación
10 9. INDICE DE CONTENIDO
1. TITULO ... 2
2. NOMBRE DEL ASESOR ... 3
3. DEDICATORIA ... 4
4. AGRADECIMIENTO ... 5
5. RESUMEN ... 6
6. INTRODUCCIÓN ... 7
7. OBJETIVOS ... 8
8. SIMBOLOGIA UTILIZADA... 9
9. INDICE DE CONTENIDO ... 10
ÍNDICE DE TABLAS ... 12
ÍNDICE DE FIGURAS ... 13
10. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA ... 14
10.1. Antecedentes de la investigación ... 14
10.2. Marco Teórico ... 15
10.2.1. Contaminación hídrica ... 15
10.2.2. Acuicultura ... 17
10.2.3. Piscicultura ... 18
10.2.4. Trucho arco iris ... 18
10.2.5. Contaminación del agua por las piscigranjas ... 19
10.2.6. Calidad del agua ... 20
10.2.7. Indicadores de los parámetros de la calidad del agua ... 20
10.2.8. Proceso de filtración ... 23
10.2.9. Biofiltros ... 24
10.2.10. Condiciones físicas para el diseño de un biofiltro ... 25
10.2.11. Eucalipto (Eucalyptus globulus) ... 26
10.3. Marco conceptual ... 27
11
11. PARTE EXPERIMENTAL: METODOLOGÍA (MATERIALES Y…………
METODOS) ... 29
11.1. Equipos y materiales ... 29
11.1.1. Materiales ... 29
11.1.2. Equipos ... 29
11.2. Metodología experimental ... 29
11.2.1. Muestreo del efluente de la piscigranja ... 29
11.2.2. Diseño del biofiltro ... 32
11.2.3. Construcción del biofiltro ... 33
11.2.4. Aplicación del biofiltro ... 34
11.2.5. Toma de muestra después del tratamiento del efluente ... 34
11.2.6. Esquema experimental ... 35
12. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 36
12.1. Presentación de resultados ... 36
12.1.1. Caracterización de nitritos del efluente piscícola Rumihuasi ... 36
12.2. Discusión de resultados ... 41
12.2.1. Tiempo de retención hidráulica para la reducción de nitritos. ... 42
12.2.2. Tamaño de astillas que reduce mayor la concentración de nitritos. ... 47
12.2.3. Tiempo de retención hidráulica y tamaño de astilla que reducen………. mayor concentración de nitritos. ... 50
12.3. Contrastación de hipótesis ... 51
12.3.1. Hipótesis general ... 53
12.3.2. Hipótesis especifica ... 54
13. CONCLUSIONES ... 57
14. RECOMENDACIONES ... 58
15. BIBLIOGRAFÍA ... 59
16. ANEXOS ... 63
12 ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Estados de oxidación del nitrógeno. ... 21
Tabla 2. Características de la madera Eucalyptus Globulus ... 27
Tabla 3. Concentración inicial de nitritos del efluente piscícola.... 36
Tabla 4. Concentración de nitritos después del tratamiento. ... 37
Tabla 5. Porcentaje de remoción de nitritos después del tratamiento. ... 42
Tabla 6. Coeficientes de correlación de la cinética de primer y segundo orden. ... 47
Tabla 7. Factores estudiados en el proceso de biofiltración. ... 51
Tabla 8. Análisis de la varianza. ... 52
Tabla 9. Resumen del modelo. ... 52
Tabla 10. Estadística descriptiva para la remoción de nitritos. ... 54
Tabla 11. Estadísticas descriptivas para la caracterización de nitritos. ... 55
Tabla 12. : Comparación por el método de Tukey de los tiempos de retención………….. hidráulica en el proceso de biofiltración. ... 55
Tabla 13. Comparación por el método de Tukey del tamaño de astillas en el………….. proceso de biofiltración. ... 56
13 ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. diferencias entre la trucha macho y la trucha hembra ... 19
Figura 2. Reacción del nitrógeno al estar en contacto con el agua. ... 21
Figura 3. Eucalyptus globulus. ... 26
Figura 4. Toma de muestra del efluente piscícola. ... 30
Figura 5.Muestreo del efluente de la piscigranja. ... 31
Figura 6. Obtención de los tres tamaños de astillas de Eucalyptus Globulus. ... 32
Figura 7. Construcción del biofiltro. ... 33
Figura 8. Tratamiento del efluente piscícola con el biofiltro. ... 34
Figura 9. Muestras preparadas para ser llevadas al laboratorio. ... 34
Figura 10. Concentración de nitritos final-réplica I. ... 38
Figura 11. Concentración de nitritos después del tratamiento-réplica II. ... 39
Figura 12. Concentración de nitritos después del tratamiento con el biofiltro. ... 40
Figura 13. Concentración promedia de nitritos después del tratamiento. ... 41
Figura 14. Concentración de nitritos vs tiempo de retención hidráulica. ... 42
Figura 15. Gráfica de interacción para % de nitritos. ... 44
Figura 16. Cinética de primer orden. ... 45
Figura 17. Cinética de segundo orden. ... 46
Figura 18. Concentración de nitritos vs tamaño de astillas. ... 47
Figura 19. Influencia del tamaño en el porcentaje de remoción de nitritos. ... 49
Figura 20. Gráfica de efectos principales del tamaño de astilla y tiempo de……… retención hidráulica. ... 50
Figura 21. Gráfica de probabilidad normal. ... 51
Figura 22. Diagrama de pareto de efectos estandarizados. ... 53
14 10. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
10.1. Antecedentes de la investigación
En la investigación realizado por (Gallego Alarcón y García Pulido, 2017) evaluaron la eficiencia del proceso de remoción de nitrógeno en un biofiltro percolador - columna de arena utilizando un muestreo estratificado, con un nivel de confianza de 95 %, la eficiencia de remoción del biofiltro fue de 26,46 ± 0,58
% de NO2; 1,20 ± 1,36 % de NO3; 11,14 ± 0,67 % de DQO y 40,79 ± 0,78 % de SST.
El estudio realizado por (Andrés Correa y Humberto Sierra, 2012) evaluaron la remoción de materia orgánica y nutrientes (N y P) con tiempos de retención hidráulicos entre 2,27 días y 0,66 días, alimentaron el sistema con una carga orgánica volumétrica inicial promedio de 0,441 kg DQO/m3d que gradualmente se fue incrementando, los resultados de remoción para el sistema de reactores de crecimiento adherido fue de 90 % y 96 % para DQO, entre 80 % y 90 % para fósforo total y entre 65 % y 70 % para nitrógeno total.
La investigación realizada por (Bruun, Hoffmann, y Kjaergaard, 2016) estudiaron la remoción de nitrógeno en un filtro rellenos de astillas de madera y conchas marinas, las pruebas incluyeron la carga continua de agua de drenaje artificial aireada enriquecida con NO3-N y tritio (3H2O) las tasas de reducción de NO3
normalizadas en el flujo oscilaron entre 0,35 g N m-3 L-1 y 3,97 g N m-3 L-1, correspondientes a eficiencias de eliminación de nitrógeno de 5 % a 64 %, dependiendo de las mezclas de tasa de carga hidráulica y a la mezcla de filtro.
En el estudio realizado por (Peñafiel, Moreno, y Ocho Herrera, 2016) trata sobre la eliminación de la materia orgánica y la nitrificación el cual se logró a través de la aireación (8 h d-1-12 h d-1), mientras que la desnitrificación ocurrió durante el período anóxico (12 h d-1-16 h d-1). El sistema funcionó durante 294 días y alcanzó una eliminación de DQO de 41 % a 85 % y una eliminación de amonio de 44 % a 87 %. Además, se logró una reducción del 12 % en la concentración de nitrógeno inorgánico total después del período anóxico en comparación con la fase aeróbica.
15 En la investigación realizada por (Garzón Zúñiga, 2016) evaluó la filtración en camas de turba, las pruebas se realizaron a escala laboratorio, los parámetros evaluados fueron la carga hidráulica, el tiempo de retención hidráulico y la tasa de aireación. El resultado del tratamiento del agua de granja tuvo remociones de:
96 % DQO, 99 % DBO5, 99 % SST, 100 % nitrógeno y 90 % de nitrógeno. Al tratar el agua coloreada, se obtuvo remociones de 99 % color y 90 % de DQO asociada al colorante. Finalmente, con respecto al tratamiento de agua de petroquímica, se obtuvieron las remociones entre 56 % y 90 % de DQO, 100 % a 68 % para grasas y aceites.
En la investigación realizada por (Jimenez Montealegre, Zamora Castro, y Zuniga Calero, 2015) evaluaron la eficiencia de tapetes microbianos para remover nitrógeno amoniacal (NAT, N-NH4++N-NH3), nitritos (N-NO2-), nitratos (N-NO3-
) y ortofosfatos (P-PO4-3). Analizaron cuatro flujos de agua por 40 días: A=5,2 ± 0,3 Lmin-1, B=6,6 ± 1,3 Lmin-1, C=8,4 ± 0,3 Lmin-1 y D=12,2 ± 0,7 Lmin-1, los valores de nitritos fueron significativamente menores (P < 0,05), cuando se realizó el tratamiento en mayor flujo (C y D) con concentraciones menores a 0,6 mgL-1 y 0,7 mg L-1, respectivamente.
En la investigación realizada por (Cabrera Molina, 2012) utilizo una columna de cobre en donde se generó un compuesto azoico, los cuales reaccionaron con sulfanilamida y N-1-naftiletilendiamina y la absorbancia se midió a 540 nm. Los resultados demostraron que la determinación por FIA disminuye en un 85 % los costos de análisis generando una ganancia del 90 % en tiempo, tanto para la determinación de nitratos como de nitritos.
10.2. Marco Teórico
10.2.1. Contaminación hídrica
El agua es el elemento más vital entre los recursos naturales y es fundamental para la supervivencia de todos los organismos vivos, incluidos los seres humanos, la producción de alimentos y el desarrollo económico. Hoy en día, muchas ciudades en todo el mundo enfrentan una grave escasez de agua y casi el 40 % del suministro mundial de alimentos se cultiva bajo riego y una gran variedad de procesos industriales dependen
16 del agua. El medio ambiente, el crecimiento económico y los desarrollos están muy influenciados por el agua: su disponibilidad regional y estacional, y la calidad de las aguas superficiales y subterráneas. La calidad del agua se ve afectada por las actividades humanas y está disminuyendo debido al aumento de la urbanización, el crecimiento de la población, la producción industrial, el cambio climático y otros factores. La contaminación del agua resultante es una seria amenaza para el bienestar tanto de la Tierra como de su población (Halder y Islam, 2015).
La contaminación del agua ocurre cuando los materiales no deseados entran al agua, cambian la calidad del agua y son dañinos para el medio ambiente y la salud humana, el agua es un recurso natural importante que se utiliza para beber y para otros fines de desarrollo en nuestras vidas, el agua potable es necesaria para la salud humana en todo el mundo, al ser un solvente universal, el agua es una fuente importante de infección, según la Organización Mundial de la Salud, el 80 % de las enfermedades son transmitidas por el agua, el agua potable en varios países no cumple con las normas de la OMS, el 3,1 % de las muertes se producen debido a la falta de higiene y la mala calidad del agua, La descarga de desechos de efluentes domésticos e industriales, las fugas de los tanques de agua, los vertidos marinos, los desechos radiactivos y la deposición atmosférica son las principales causas de la contaminación del agua. Los metales pesados que se eliminan y los desechos industriales pueden acumularse en lagos y ríos, resultando nocivos para los humanos y los animales. Las toxinas en los desechos industriales son la principal causa de la supresión inmunológica, la falla reproductiva y la intoxicación aguda. Las enfermedades infecciosas, como el cólera, la fiebre tifoidea y otras enfermedades como la gastroenteritis, la diarrea, los vómitos, la piel y los riñones, se están propagando a través del agua contaminada. La salud humana se ve afectada por el daño directo de las plantas y la nutrición animal, los contaminantes del agua están matando las malezas marinas, los moluscos, las aves marinas, los peces, los crustáceos y otros organismos marinos que sirven como alimento para los seres humanos. Insecticidas como la concentración de DDT están aumentando a lo largo de la cadena
17 alimentaria, estos insecticidas son dañinos para los humanos (Koshal, 2013).
10.2.2. Acuicultura
La acuicultura son las actividades que están orientados a la crianza de especies acuáticas, se realiza en un medio artificial o natural tanto en aguas marinas y dulces (FAO, 2013).
A. Acuicultura intensiva
Los sistemas de acuicultura intensivos son un completo contraste con los sistemas naturales, La calidad del agua generalmente se mantiene mediante tasas de cambio de agua elevadas y, en algunos casos, por medios mecánicos. En el cultivo intensivo en tanques interiores, la eliminación de residuos de partículas, el intercambio de gases y la producción de oxígeno se realizan por medios mecánicos. En sistemas de uso intensivo al aire libre con un sustrato de suelo y fitoplancton, se acumulan desechos de partículas, la descomposición por bacterias y el intercambio de gases se potencian con la aireación mecánica. La densidad de población en sistemas intensivos varía mucho con el tipo de sistema y el organismo cultivado, pero siempre es relativamente alta (López, 2016).
B. Acuicultura semi-intensiva
El cultivo semi-intensivo es casi exclusivo de los estanques y permite un aumento en la densidad de población dentro del estanque. Con intensidad moderada, el cultivo de peces donde la tasa de repoblación puede ser 2 % a 3 % veces mayores que la de los estanques convencionales, la adición de fertilizantes inorgánicos u orgánicos para mejorar la productividad natural, la adición de aireación para mantener los niveles de oxígeno disuelto y el área aireada debe cubrir aproximadamente el 15 % del área del estanque.
Se debe agregar alimento complementario al lado de los alimentos naturales disponibles en el estanque. La cultura semi-intensiva es ideal en los países en desarrollo porque brinda una amplia variedad de opciones en administración e inversiones de capital. Las estrategias de manejo en niveles más bajos de intensificación involucran el uso de fertilizantes para fomentar la productividad natural y mejorar los niveles de oxígeno disuelto. Se ha encontrado que los rendimientos de peces de tales técnicas
18 son más altos que los de los sistemas naturales no fertilizados (López, 2016).
C. Acuicultura extensiva
La acuicultura extensiva forma parte de un ecosistema natural y depende de ella para el mantenimiento de la calidad del agua y la mayoría de los alimentos de los animales y otros requisitos. Por lo tanto, un sistema de acuicultura extenso tiene insumos limitados para mantener el crecimiento y la supervivencia de los peces, puede tener algunos fertilizantes orgánicos básicos, pero no aireación, etc. Estos sistemas generalmente tienen una baja densidad de población (<500 kg/ha) y La productividad natural de las plantas y animales dentro del sistema y el intercambio de gas natural es suficiente para apoyar a los organismos cultivados. Acuicultura de baja intensidad que produce solo un incremento moderado sobre la productividad natural, los peces alimentan solo los alimentos naturales disponibles en el estanque (López, 2016).
10.2.3. Piscicultura
La piscicultura es una actividad donde se realiza la crianza de peces en condiciones controladas o en condiciones semicontroladas (Fondepes, 2014).
En la piscicultura el agua ayuda a realizar las actividades de crianza de los peces dependiendo de sus características, además el agua que constituye los sistemas dulces acuáticos en su gran mayoría ha caído antes sobre los ecosistemas terrestres y en forma de escorrentía ha arrasado y disuelto numerosas sustancias hasta llegar a los cauces. Por ello, las aguas que discurren por ríos y forman los lagos no son nunca aguas puras (Peréz Castro, 2011).
10.2.4. Trucho arco iris
Onchorynchus mykiss es una especie que viven en aguas limpias y frías, que toleran la temperatura hasta los 28 ºC, alcanzan la madurez sexual entre los 2 años a 3 años, las hembras llegan a poner 2 000 huevos (Montesinos López, 2018).
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Figura 1. diferencias entre la trucha macho y la trucha hembra Fuente: (FAO, 2015)
10.2.5. Contaminación del agua por las piscigranjas
La contaminación del agua es un desafío global que ha aumentado tanto en los países desarrollados como en los países en desarrollo, lo que socava el crecimiento económico y la salud física y ambiental de miles de millones de personas, la escasez global de agua es causada no solo por la escasez física del recurso sino también por el deterioro progresivo de la calidad del agua en muchos países, lo que reduce la cantidad de agua que es segura para su uso, las presiones agrícolas sobre la calidad del agua provienen de los sistemas de cultivo, ganadería y la acuicultura, que se han expandido e intensificado para satisfacer la creciente demanda de alimentos relacionada con el crecimiento de la población y los cambios en los patrones dietéticos, ha habido un aumento dramático y rápido en la acuicultura en todo el mundo en ambientes marinos, de agua salobre y agua dulce, los excrementos de peces y los alimentos no consumidos de la acuicultura alimentada disminuyen la calidad del agua. El aumento de la producción se ha combinado con un mayor uso de antibióticos y fungicidas que a su vez pueden contribuir a contaminar los ecosistemas aguas abajo (Mateo Sagasta, Marjani Zadeh, Turral, y Burke, 2017).
El conocido síndrome del bebé azul en el que los altos niveles de nitratos en el agua pueden causar metahemoglobinemia, una enfermedad potencialmente mortal, en los bebés. La acumulación de pesticidas en el agua y en la cadena alimentaria, con efectos negativos demostrados en los seres humanos, llevó a la prohibición generalizada de ciertos pesticidas persistentes de amplio espectro, pero algunos de esos pesticidas todavía se usan en los países más pobres, lo que causa efectos agudos y probables crónicos para la salud. Los ecosistemas acuáticos también se ven afectados
20 por la contaminación agrícola; por ejemplo, la eutrofización causada por la acumulación de nutrientes en lagos y aguas costeras tiene impactos en la biodiversidad y la pesca, la degradación de la calidad del agua también puede tener graves impactos directos en la producción (Mateo Sagasta et al., 2017).
El nitrógeno es un elemento indispensable para el crecimiento de las algas, en consecuencia, sus altas concentraciones contribuyen al proceso de eutrofización. Además, los procesos de transformación de amoníaco a nitrito y nitrato consumen oxígeno, lo que conduce a una reducción de oxígeno en el medio ambiente. La legislación impone restricciones a la liberación de nitrógeno total en forma de amoníaco, nitrito y nitrato. Es notable que los sistemas de cultivo intensivo pueden causar impactos en el medio ambiente, principalmente debido a los residuos relacionados con las sobras de alimentos y las heces producidas por los peces. Estos residuos son fuentes de N y P, que son los principales nutrientes responsables de la eutrofización, con énfasis en P como el nutriente limitante para la producción primaria de agua dulce (Coldebella et al., 2017).
10.2.6. Calidad del agua
Son aquellas condiciones que deben darse en el agua para que ésta mantenga un ecosistema equilibrado y para que cumpla unos determinados objetivos de calidad ecológica (SUNASS, 2014).
10.2.7. Indicadores de los parámetros de la calidad del agua A. Nitrógeno
Se encuentra en estado gaseoso cuando está a temperatura y presión ambiente, es un elemento diatómico, el 78 % de la atmosfera terrestre es nitrógeno. El nitrógeno tiene muchos estados de oxidación y el cambio de los estados de oxidación es producido por algunos organismos vivos, estos estados de oxidación pueden ser negativo o positivo, los estudios de la química inorgánica sobre el nitrógeno muestran 7 estados de oxidación presentados en la tabla 1 (Pacheco Avila, Pat Canul, y Cabrera Sansores, 2010).
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Tabla 1. Estados de oxidación del nitrógeno.
Compuesto Estado de oxidación
Amoniaco -III
Nitrógeno 0
Óxido nitroso I
Óxido de nitrógeno II
Óxido de nitrógeno (III) III
Dióxido de nitrógeno IV
Óxido de nitrógeno (V) V
Fuente: (Pacheco Avila et al., 2010).
El contacto del agua con el nitrógeno hace que este compuesto se convierta en amonio, en el proceso de la disminución del amonio se da la nitrificación, donde el amonio pasa a ser nitrito, todo lo descrito se muestra en la imagen 1 (Figueroa Jabel, 2018).
Figura 2. Reacción del nitrógeno al estar en contacto con el agua.
Fuente: (Figueroa Jabel, 2018).
B. Amonio
La forma ionizada del amoniaco es el ion amonio (NH4+), los procesos metabólicos, la desinfección usando cloramina, la producción agropecuaria y las industrias eliminan el amoniaco que se encuentra en el medio ambiente, en los cuerpos de agua el amonio se presenta de forma natural con concentraciones menores a 0,2 mg/L, la ganadería genera mayores concentraciones de amonio en los cuerpos de agua, también las aguas contaminadas con residuos de animales, aguas residuales y bacterias presentar como indicador al amoniaco. Se observaron efectos de toxicidad cuando se expuso a concentraciones de amonio superiores a 200 mg/kg, el
22 amoniaco puede reducir la eficiencia de la desinfección, ocasionando la formación de nitrito, obstaculizar la eliminación de manganeso mediante filtración y producir problemas organolépticos (Gonzáles, 2015).
C. Nitrito
Depende del pH del agua las concentraciones de NO2– y HNO2 pueden aumentar o disminuir, cuando el pH del agua aumenta el valor de NO2– y disminuye el valor de HNO2, el nitrito (NO2–) está relacionado por el equilibrio químico al ácido nitroso (HNO2).
𝑁𝑂2−+ 𝐻+ ↔ 𝐻𝑁𝑂2
El ácido nitroso con el nitrito es muy tóxico, debido a que en los cuerpos de agua hay mayor concentración de NO2– son considerados los que generan toxicidad a los animales, la toxicidad se da cuando la hemoglobina y hemocianina no pueden transportar ni liberar el oxígeno, esto causa asfixia (Camargo y Alonso, 2011).
D. Nitrato
El nitrato es utilizado como sustrato para producir proteína en los vegetales y por esa razón es utilizado en la agricultura, la contaminación de los recursos hídricos por nitratos se da cuando las bacterias del suelo descomponen la materia orgánica y cuando no hay cultivo en estos suelos el nitrato producido será arrastrado por la lluvia hasta los cuerpos de agua produciendo la contaminación, también se produce contaminación cuando hay una excesiva aplicación de fertilizantes en la agricultura, la lluvia lo arrastra por el suelo y lo conduce tanto a las aguas superficiales como a las subterráneas (SUNASS, 2014).
El principal problema de la contaminación del agua con nitratos se relaciona al desarrollo de la metahemoglobina en los bebés, para que ocurra esto el nitrato se reduce a nitrito y al mezclarse con la hemoglobina reduce la captación del oxígeno en los pulmones causando asfixia (SUNASS, 2014).
E. Potencial de hidrogeno
Es un indicador que indica si el agua se encuentra ácida, básica o neutra dependiendo de cuantos iones de hidrogeno se encuentra presente, se mide en un rango de 0 a 14, el 7 indica que la sustancia esta neutra, cuando el
23 agua presenta valores menores a 7 indica que esta ácida y cuando presenta valores mayores a 7 indica que esta básica (Minam, 2019).
10.2.8. Proceso de filtración
La filtración es el proceso de pasar el agua a través del material para eliminar partículas y otras impurezas, incluido el floc, del agua que se está tratando. Estas impurezas consisten en partículas suspendidas, materia biológica y flóculos. El material utilizado en los filtros para el suministro de agua pública es normalmente un lecho de arena, carbón u otra sustancia granular. Los procesos de filtración generalmente se pueden clasificar como lentos o rápidos (Carty & Bourke, 2013).
A. Procesos físicos a. Cribado
Los filtros de cribado se usan para filtrar residuos y partículas más grandes, y están disponibles con diferentes finuras para una amplia gama de caudales, estos filtros se instalan normalmente en la tubería de suministro de agua, el agua pasa a través de una o dos pantallas cilíndricas, dejando partículas filtradas depositadas en el exterior. Hay disponibles modelos de autolimpieza, que pueden usar cepillos para limpiar la pantalla o el lavado hacia atrás para desplazar los desechos de lo contrario, la limpieza puede realizarse retirando y enjuagando manualmente el filtro con agua, aunque un filtro manual puede no ser práctico si la fuente de agua no está muy limpia (Benham, 2015).
b. Sedimentación
El proceso de sedimentación es muy utilizado para tratar las aguas residuales, este proceso separa las partículas suspendidas que tienen mayor peso que el agua, la sedimentación está basada en las diferencias de densidades del líquido y las partículas que por acción de la gravedad hacen que se separen (Carlsson, 2012).
B. Procesos químicos a. Precipitación química
La precipitación química es una tecnología convencional utilizada para tratar el agua con influencia de la minería, incluido el drenaje ácido de la mina, el drenaje neutro y el agua del lago de pozo, los procesos de precipitación química implican la adición de reactivos químicos, seguido
24 de la separación de los sólidos precipitados del agua limpia, típicamente la separación ocurre en un clarificador, aunque también es posible la separación por filtración. La precipitación química también se puede usar en lagos de fosa u otros cuerpos de agua, en cuyo caso los sólidos precipitados simplemente pueden permanecer en el fondo de la piscina (Molahalli, 2013).
b. Oxidación química
La aparición de compuestos que son difíciles de degradar por métodos químicos y biológicos convencionales en aguas naturales recientemente creó una necesidad apremiante para el desarrollo de procesos eficientes de tratamiento de agua, la búsqueda de una solución a este problema ha involucrado exámenes exhaustivos en el campo de los procesos de oxidación avanzada, en los procesos de oxidación química, los mecanismos de reacción cambian la estructura y las propiedades químicas de las sustancias orgánicas, las moléculas se rompen en fragmentos más pequeños; un mayor porcentaje de oxígeno aparece en estas moléculas en forma de alcohol, ácidos carboxílicos, oxidación de compuestos orgánicos con oxidación como el ozono, los radicales generalmente producen más oxidados que, en la mayoría de los casos, son más fácilmente biodegradables que los anteriores, se ha encontrado que la oxidación con ozono o peróxido de hidrógeno es una alternativa importante en la cloración, porque la oxidación no produce compuestos orgánicos clorados tóxicos (Rashed, Hanna, y Wali, 2015).
10.2.9. Biofiltros
Son estructuras de biopelículas, que se dividen en distintas capas las cuales se cambian según a las condiciones nutricionales en las que se encuentra (Iván Sánchez et al., 2016).
Los biofiltros son muy sencillos de usar en el tratamiento de aguas y es un sistema en donde no hay necesidad de adicionar floculantes, coagulantes u otros aditivos, el afluente a tratar pasa por el biofiltro en donde se retiene el material orgánico mediante los procesos de adsorción, absorción, intercambio iónico y filtración pasiva, el material retenido se biodegrada por medio de biocenosis que sucede en el filtro (Conama, 2012).
A. Biofiltros con rellenos orgánicos
25 En la biofiltración se tratan efluentes en medios orgánicos quienes tienen la capacidad de absorber y adsorber diversas sustancias, los rellenos que constituyen a los filtros son generalmente fibras orgánicas y virutas de madera, los beneficios de usar este tratamiento es que los rellenos tienen una duración de 5 años aproximadamente además pueden ser utilizados para mejorar suelos agrícolas. En el tratamiento de agua residual primero ocurre la percolación en el filtro en donde ocurre 4 procesos: se da la filtración lenta, filtración pasiva, absorción, adsorción, intercambio iónico, biodegradación y desinfección (Garzón Zúñiga, Buelna, y Moeller Chávez, 2012).
El control de la carga aplicada permite un equilibrio entre el crecimiento y decrecimiento de la biomasa, lo que conduce a una biodegradación pasiva de los contaminantes, sin producción de lodos biológicos, las aguas residuales tratadas pueden ser reutilizadas o ser descargadas al cuerpo receptor, los efluentes gaseosos pueden ser tratados simultáneamente, haciéndolos pasar a contracorriente por el biofiltro (Garzón Zúñiga et al., 2012).
10.2.10. Condiciones físicas para el diseño de un biofiltro
Las condiciones físicas se tomaran en cuenta de acuerdo a la investigación realizada por (Figueroa Jabel, 2018).
A. Caudal (Q)
𝑄 = 𝑉 𝑇 Donde:
𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝑚𝑖𝑙𝑖𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 𝑇 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 B. Altura (H)
𝐿 = 𝑉𝑅 𝜋 𝐷2
Donde el volumen del biofiltro es expresado en centímetros cúbicos y la longitud se expresa en centímetros.
C. Área de biofiltro (AB)
Las medidas del área están expresadas en cm2 𝐴𝐵 = 2 𝑥 𝜋 𝑥 𝑟 (𝐻 + 𝑟)
26 𝐻 = 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑖𝑜𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜
D. Volumen del biofiltro (VB)
Se considera el tiempo de retención hidráulica y el caudal 𝑉𝐵 = 𝑇𝑅𝐻 𝑥 𝑄
Donde:
TRH = tiempo de retención hidráulica Q= Caudal
E. Tiempo de retención hidráulica (TRH) 𝑇𝑅𝐻 = 𝑉𝐵
𝑄 Donde:
THR = Tiempo de retención hidráulica Q= Caudal
10.2.11. Eucalipto (Eucalyptus globulus)
Eucalyptus globulus es originario de la costa este de Tasmania, la especie para un buen desarrollo requiere suelos profundos que no sean alcalinos ni salinos, para su crecimiento requiere que estén bien drenados, esta especie se encuentra entre las 10 especies que más se plantan superando los 2,3 millones de hectáreas, en la imagen 3 se muestra la forma de las hojas del Eucalyptus Globulus (Di Marco, 2015).
Figura 3. Eucalyptus globulus.
Fuente:(Ministerio de Salud, 2016).
27 A. Madera de eucalipto
Tabla 2. Características de la madera Eucalyptus Globulus
Características de la madera Eucalyptus Globulus Color Es crema con poca diferencia del marrón.
Olor Característico a eucalipto.
Textura Fina.
Grano Entrelazado.
Diseño Suave, espigado en corte radial y floreado en el tangencial
Densidad aparente 15 %
contenido de humedad
0,810 g/cm³, es una madera semidura y pesada.
Secado
El secado debe ser cuidadoso, ya que tiende a rajarse, deformarse y agrietarse, la temperatura del secado artificial no debe superar los 60 °C.
Durabilidad
La albura es poco durable cuando se encuentra en contacto con la tierra y al aire libre, el duramen dura más al aire libre y es poco durable con la tierra y la albura es muy susceptible al ataque de polillas.
Trabajabilidad
Tiene una buena durabilidad frente al torneado y cepillado, en el clavado hay un poco de dificultad, ya que si se realiza mal el trabajo, tiende a rajar.
Usos
Pasta celulósica. Pisos, tarimas, vigas laminadas, tableros de listones, tableros MDF, terciados y aglomerados, tablas, andamios. Mangos para herramientas. Durmientes impregnados.
Fuente: (Di Marco, 2015).
10.3. Marco conceptual
Filtración: la filtración desempeña una función importante como parte de las operaciones básicas, es una operación en la cual se separan los sólidos finamente divididos de los fluidos (Rodríguez Chanfrau y López Hernández, 2011).
Granulometría: es el tamaño de partícula que influye en muchas propiedades de los materiales particulados, además sirve como indicador de calidad y rendimiento (Scientific, 2014).
Piscícola: es la crianza o cultivo de peces de agua fría ( truchas), adaptando un espacio físico a las condiciones para el cultivo (Geman Orbe, 2014).
Efluente: Todo residuo gaseoso, líquido, sólido o mezcla de ellos que fluye a un cuerpo receptor (Jaureguiberry, 2012).
Astillas de madera: es el producto resultante del triturado de la madera disminuyendo el espesor y la densidad del material (Cea Muñoz, 2013).
28 Adsorción: remoción por adherencia de líquidos, gases, materia suspendida, coloides, moléculas, átomos e iones disueltos en la superficie del sorbente (Húmpola, 2013).
Absorción: es un proceso en el cual la sustancia es succionada hasta el interior del sorbente y queda mantenida allí (Juárez Borboni, 2014).
Biofiltro: Consisten en un biorreactor cilíndrico que contiene sustratos de diferentes materiales, diseñados para tener una superficie de contacto máxima con el fin de eliminación productos de desecho de nitrógeno en forma de amoníaco excretado por el pescado y carbono del alimento (Interdonato, 2012).
Biomasa: Son coagulantes a base de plantas como materiales de tratamiento de agua son económicamente factibles, están fácilmente disponibles y son fáciles de almacenar y ecológica (Deepthi, Sarala, y Mukkanti, 2015).
29 11. PARTE EXPERIMENTAL: METODOLOGÍA (MATERIALES Y
METODOS) 11.1. Equipos y materiales
11.1.1. Materiales
• Tubo PVC
• Tubo codo de 90 x ½”
• Llave de paso de ½”
• Teflón
• Biofiltro de fibra de vidrio
• 2 caños
• Manguera transparente
• Tubo rígido de PVC
• 03 vasos de precipitación
• Balde de 5 L 11.1.2. Equipos
• 01 Balanza analítica
• 01 pH metro
• 01 Termómetro 11.2. Metodología experimental
11.2.1. Muestreo del efluente de la piscigranja
Los límites Máximos Permisibles para la industria de harina y aceite de pescado y normas complementarias están establecidos en el D.S. N° 010- 2008, en este documento no se encontró información para realizar el monitoreo de aguas para efluentes de piscigranjas. El Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento dispone el monitoreo de otros parámetros cuando existan indicios razonables de riesgo a la salud humana o al ambiente, por lo cual se tomó como referencia al protocolo de monitoreo de la calidad de los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas o municipales (MINVIV, 2013).
A. Características del punto de monitoreo
La muestra fue recogida de tres puntos representativo del efluente de la piscigranja Rumihuasi, se eligió el lugar donde hubo acceso fácil, seguro y estaba cerca al punto de descarga.
30 B. Toma de muestra del efluente piscícola
Para la toma de muestra del efluente piscícola se realizó tomando como guía al protocolo de monitoreo de la calidad de los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas domesticas o residuales (MINVIV, 2013).
• Se utilizó frascos de plástico de boca ancha con cierre hermético y limpio.
• Los frascos de plástico fueron rotulados con la fecha y hora exacta, que fue el 21/10/2019 a las 8:00 a.m.
• Se realizó la toma de muestra en dirección opuesta al flujo del efluente.
• Para el análisis de nitritos, se utilizó una botella de plástico de 1 L de capacidad, se filtró in situ, el tiempo de almacenamiento máximo fue de 4 días.
• Las muestras de agua recolectadas, preservadas y rotuladas se colocaron en una caja de almacenamiento térmica con refrigerante para ser enviados al laboratorio de análisis químico de la universidad nacional del centro del Perú para analizar los nitritos presentes.
• Para la corrida experimental se tomó 20 L de agua del efluente de la piscigranja.
Figura 4. Toma de muestra del efluente piscícola.
Fuente: Elaboración propia.
31 C. Caracterización del agua muestreada del efluente de la
piscigranja
La determinación de nitritos del efluente piscícola antes del tratamiento se realizó en el laboratorio de análisis químico de la universidad nacional del centro del Perú.
Figura 5.Muestreo del efluente de la piscigranja.
Fuente: Elaboración propia.
D. Obtención de astillas de madera de eucalipto
Para la obtención de astillas de madera de Eucalyptus Globulus se tomará como referencia el trabajo de investigación realizado por (Figueroa Jabel, 2018).
• Las astillas de eucalipto fueron recolectadas de aserraderos y carpinterías.
• Se cortó la corteza en astillas con una medida aproximada de 0,2 cm; 1 cm y 4,5 cm y se realizó el secado al sol por 3 días.
32
Figura 6. Obtención de los tres tamaños de astillas de Eucalyptus Globulus.
Fuente: Elaboración propia.
11.2.2. Diseño del biofiltro
Para determinar el diseño del biofiltro se tomó como guía al trabajo de investigación realizada por (Figueroa Jabel, 2018), donde toma en cuento los siguientes criterios:
A. Volumen del biofiltro
VB= π. R2. H
VB= 3,14 (10 cm)2. 25,48 cm VB= 8000.72 mL
VB= 8000 mL
B. Área del biofiltro
AB= 2. π. r. (H + r)
AB= 2 x 3.14 x 10 cm x (25,48 cm + 10 cm) AB= 2228,144 cm2
C. Altura del biofiltro
h = V π r2 h = 8000 𝑐𝑚3
3,14 (10 cm)2 h = 25,48 cm
33 11.2.3. Construcción del biofiltro
Para realizar la construcción del biofiltro se tomó como referencia a (Figueroa Jabel, 2018)
• Se usó un balde transparente de 10 L que se utilizó como almacenador del agua del efluente de la piscigranja.
• Al biofiltro se incorporó un tuvo rígido de PVC con tres caños en la parte superior, el cual nos permitió controlar el caudal de nuestro sistema.
• El biofiltro es de forma cilíndrica alargada de fibra de vidrio para observar lo que sucede en el proceso.
• Se conectó el balde transparente de 10 L al recipiente de fibra de vidrio a través de una manguera transparente.
Figura 7. Construcción del biofiltro.
Fuente: propia.
34 11.2.4. Aplicación del biofiltro
Se realizó la remoción de nitrito en el biofiltro con astillas de eucalipto en donde se evaluó tres tiempos de retención hidráulica de 1 h, 2 h y 3 h con diferentes medidas de astilla que son 0,2 cm; 1 cm y 4,5 cm.
Figura 8. Tratamiento del efluente piscícola con el biofiltro.
Fuente: Elaboración propia.
11.2.5. Toma de muestra después del tratamiento del efluente
Para calcular la eficiencia de remoción de nitrito con el biofiltro relleno de astilla de eucalipto, se tomó la muestra final, se filtró y se llevó al laboratorio para hallar la cantidad de nitritos reducidos por el biofiltro.
Figura 9. Muestras preparadas para ser llevadas al laboratorio.
Fuente: Elaboración propia.
35 11.2.6. Esquema experimental
36 12. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
12.1. Presentación de resultados
12.1.1. Caracterización de nitritos del efluente piscícola Rumihuasi
La muestra del efluente piscícola Rumihuasi se recolecto en tres puntos puntuales siguiendo los pasos descritos tomando como guía al protocolo de monitoreo de la calidad de los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas domesticas o residuales, la caracterización de la muestra del efluente piscícola Rumihuasi, se realizó mediante el método normalizado para análisis de agua potable y residual, APHA, AWWA, WPCF, método: MS- 4500-NO2- colorimétrico aplicado en el laboratorio de análisis químico de la universidad nacional del centro del Perú, tal como se puede ver en el anexo A-01, los resultados reportados se presentan en la tabla 3.
Tabla 3. Concentración inicial de nitritos del efluente piscícola.
Replicas R-I R-II R-III
Nitritos (ppm) 1,576 1,585 1,569
Fuente: Elaboración propia.
En la tabla 3 se presentan los resultados de la concentración inicial de nitritos del efluente piscícola Rumihuasi, las concentraciones fueron de 1,576 ppm, 1,585 ppm y 1,569 ppm en las réplicas I, II y III respectivamente, entonces se trabajará con el promedio de estos valores que es 1,577.
La determinación de la remoción de nitritos con el biofiltro con astillas de eucalipto del efluente piscícola, se realizó tomando muestras de 10 mL que fueron llevadas al laboratorio de análisis químico de la universidad nacional del centro del Perú, los análisis se realizaron con el método: MS-4500-NO2- colorimétrico, los resultados obtenidos se presentan en la tabla 4.
37
Tabla 4. Concentración de nitritos después del tratamiento.
Tamaño de astillas
Tiempo de retención hidráulica
Concentración de nitritos (ppm)
Réplica I Réplica II Réplica III
0,2 1 1,021 1,025 1,032
0,2 2 0,412 0,405 0,415
0,2 3 0,183 0,190 0,178
1 1 0,782 0,779 0,790
1 2 0,394 0,379 0,401
1 3 0,021 0,022 0,019
4,5 1 1,131 1,138 1,108
4,5 2 0,838 0,825 0,840
4,5 3 0,571 0,568 0,579
Fuente: Elaboración propia.
En la tabla 4 se muestran los resultados obtenidos después del proceso de remoción de nitritos utilizando diferentes tamaños de astillas del eucalipto y a diferentes tiempos de retención hidráulica, se realizaron 3 réplicas, los resultados obtenidos en cada replica se encuentran en el informe de ensayo realizado en el laboratorio de análisis químico (ver anexo A-01), en el informe de ensayo se observa que la concentración de nitritos se redujo hasta 0,178 ppm con 0,2 cm de tamaño de astillas a un tiempo de retención hidráulica de 3 horas, cuando el tamaño de astillas del eucalipto fue de 1 cm a 3 horas de tiempo de retención hidráulica la concentración se redujo hasta 0,019, cuando se realizó el tratamiento del efluente piscícola con 4,5 cm de tamaño de astillas y a 3 horas de tiempo de retención hidráulica se redujo la concentración de nitritos hasta 0,568, el comportamiento de la remoción de nitritos del efluente piscícola en relación al tamaño de astillas de eucalipto y tiempo de retención hidráulica se representan en la figura 10, 11 y 12.
38
Figura 10. Concentración de nitritos final-réplica I.
Fuente: Elaboración propia.
En la imagen 10 se muestra la concentración de los nitritos después del tratamiento con el biofiltro en la réplica I, en la gráfica se observa que cuando se trabajó con 0,2 cm de astillas de eucalipto la concentración de nitritos redujo de 1,577 ppm hasta 0,183 ppm a 3 horas de retención hidráulica, al trabajar con 1 cm de astillas de eucalipto la reducción de nitritos fue hasta 0,021 ppm a un tiempo de retención hidráulica de 3 horas y al trabajar con 4,5 cm de astilla de eucalipto la reducción de nitritos fue hasta 0,571 ppm, al observar estos resultados se infiere que la reducción de nitritos disminuyeron conforme transcurrió el tiempo de retención hidráulica, esto también se observa en la figura 11 que presenta los resultados de la reducción de nitritos en función del tamaño de las astillas de eucalipto y tiempo de retención hidráulica.
39
Figura 11. Concentración de nitritos después del tratamiento-réplica II.
Fuente: Elaboración propia.
En la figura 11 se muestra los valores de la concentración de los nitritos después del tratamiento del efluente piscícola con un biofiltro utilizando astillas de eucalipto, se observa que al trabajar con 0,2 cm de astillas a un tiempo de retención hidráulica de 3 horas se logró una reducción de nitritos de 1,577 ppm hasta 0,190, al trabajar con 1 cm de astillas de eucalipto y con un tiempo de retención hidráulica de 3 horas se logró reducir los nitritos hasta 0,022 ppm y finalmente se muestran los resultados de la concentración de nitritos al tratar el efluente piscícola en el biofiltro con 4,5 cm de astillas a 3 horas de retención hidráulica, logrando una concentración de 0,568 ppm, estos resultados siguen el patrón obtenido en la réplica I, finalmente se presenta los resultados obtenidos en la réplica III.
40
Figura 12. Concentración de nitritos después del tratamiento con el biofiltro.
Fuente: Elaboración propia.
En la figura 12 se muestran las concentraciones de nitritos después del tratamiento realizado en función del tamaño de astillas de eucalipto y el tiempo de retención hidráulica, los resultados de la réplica III siguen el mismo modelo que la réplica I y II, a mayor tiempo de retención hidráulica se lograron mayor remoción de nitritos, cuando se realizó la remoción de nitritos con 0,2 cm de astillas a 3 horas de retención hidráulica la concentración se redujo de 1,577 ppm a 0,178 ppm, al utilizar 1 cm de astillas de eucalipto en el biofiltro y a 3 horas de retención hidráulica se obtuvo una concentración de 0,019 ppm y finalmente al trabajar con 4,5 cm de astillas de eucalipto y a 3 horas de retención hidráulica se obtuvo una concentración de 0,579 ppm.
El resultado promedio de las concentraciones de nitritos del efluente piscícola después de la biofiltración se registró en la figura 13.
41
Figura 13. Concentración promedia de nitritos después del tratamiento.
Fuente: Elaboración propia.
En la figura 13 que la concentración inicial del efluente piscícola fue de 1,577 ppm y que esta concentración se redujo en el tratamiento con biofiltro en relación al tamaño de astilla del eucalipto y el tiempo de retención hidráulica, se observa que el tratamiento con 0,2 cm de astillas de eucalipto a 3 horas de retención hidráulica logro una concentración de nitritos de 0,184 ppm, al tratar con 1 cm de astillas de eucalipto en 3 horas de retención hidráulica se obtuvo una concentración de hasta 0,021 ppm y al tratar el efluente piscícola con 4,5 cm de astillas de eucalipto en 3 horas de retención hidráulica se obtuvo 0,573 ppm de nitritos.
12.2. Discusión de resultados
Para analizar la influencia del tamaño de astilla de eucalipto y el tiempo de retención hidráulica en la remoción de nitritos presente en el efluente piscícola Rumihuasi, se utilizó 3 tamaños diferentes de astillas de eucalipto de 0,2 cm; 1 cm y 4,5 cm y 3 tiempos de retención hidráulica de 1 h; 2 h y 3 h, estas condiciones lograron la remoción de nitritos, para hallar la eficiencia de remoción de nitritos se calculó la diferencia de la concentración inicial con la concentración final y se dividió con la concentración inicial, tal como se muestra en la siguiente ecuación (1).
% 𝑑𝑒 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜𝑠 = 𝐶0−𝐶𝑓
𝐶0 𝑥100 (1) Donde:
C0 = concentración inicial de nitritos presente en el efluente piscícola
42 Cf = concentración final de nitritos en el agua del efluente piscícola después del tratamiento con el biofiltro.
Los valores obtenidos al reemplazar la ecuación 1 se presentan en la tabla 5.
Tabla 5. Porcentaje de remoción de nitritos después del tratamiento.
Tamaño de astillas
Tiempo de retención hidráulica
Porcentaje de remoción de nitritos Réplica I Réplica II Réplica III Promedio
0,2 1 35 % 35 % 35 % 35 %
0,2 2 74 % 74 % 74 % 74 %
0,2 3 88 % 88 % 89 % 88 %
1 1 50 % 51 % 50 % 50 %
1 2 75 % 76 % 75 % 75 %
1 3 99 % 99 % 99 % 99 %
4,5 1 28 % 28 % 30 % 29 %
4,5 2 47 % 48 % 47 % 47 %
4,5 3 64 % 64 % 63 % 64 %
Fuente: Elaboración propia.
En la tabla 5 se muestran los porcentajes de la remoción de nitritos, se observa que el máximo porcentaje de remoción de nitritos 99 % se logró cuando se utilizó 1 cm de astillas de eucalipto a 3 horas de retención hidráulica, el mínimo porcentaje de remoción de nitritos se obtuvo con 4,5 cm de astillas de eucalipto en 1 h de retención hidráulica.
12.2.1. Tiempo de retención hidráulica para la reducción de nitritos.
Para el análisis de la remoción de nitritos en relación al tiempo de retención hidráulica en el biofiltro se realizó el grafico de dispersión presentado en la figura 14.
Figura 14. Concentración de nitritos vs tiempo de retención hidráulica.
Fuente: Elaboración propia.
43 En la figura 14 se muestran los porcentajes de nitrógeno después del tratamiento realizado al efluente piscícola, se observa que cuando el tamaño de astillas fue de 0,2 cm y a un tiempo de retención hidráulica de 1 hora se obtuvo 35 % de remoción de nitritos, al trabajar con 2 horas de retención hidráulica se obtuvo un 74 % de remoción llegando hasta un 88
% de remoción de nitritos con 3 horas de retención hidráulica, al trabajar con 1 cm de astillas de eucalipto a una hora de retención hidráulica se obtuvo 50 % de remoción, al aumentar a 2 hora el tiempo de retención hidráulica se obtuvo 75 % de remoción de nitritos y a un tiempo de retención hidráulica de 3 horas se obtuvo un 99 % de remoción de nitritos, cuando se trabajó con 4,5 cm de astillas de eucalipto a un tiempo de retención hidráulica de 1 hora se obtuvo 29 % de remoción de nitritos, al realizar el tratamiento con 2 horas de retención hidráulica se llegó a 47 % de remoción y cuando se aumentó el tiempo de retención hidráulica a 3 horas se logró una remoción de 64 %, se observa que el porcentaje de remoción varia significativamente al incrementar el tiempo de retención hidráulica, esto se debe a que a mayor tiempo de contacto de las astillas de eucalipto mejora la remoción del nitrógeno, esta afirmación se comprueba con la investigación realizada por (Figueroa Jabel, 2018), quien realizó el estudio de un biofiltro relleno de fibras de Furcraea andina, en donde efectuó el tratamiento de aguas residuales de la piscícola ubicado en Acopalca, el biofiltro lo evaluó a tres diferentes tiempo de retención hidráulica que son de 1 h, 2 h y 3 h , después de realizar el tratamiento el biofiltro dedujo que el tiempo de retención hidráulica más óptimo es de 3 horas, en comparación con el tiempo de retención hidráulica de 1 hora y 2 horas, obteniendo parámetros que están dentro de los límites establecidos, el primer biofiltro obtuvo remociones de 77,03 % DBO, 68,95 % DQO, 77,04
% NO3-
Y 86,86 % de NO2-
.
44
Figura 15. Gráfica de interacción para % de nitritos.
Fuente: Elaboración propia.
En la figura 15 se observa que los porcentajes de remoción de nitritos varía en función del tiempo de retención hidráulica, cuando se trabaja con tiempo de 1 hora el porcentaje de remoción es menor al 60 % pero sobrepasa el 50 %, cuando se trabajó con 2 horas el porcentaje de remoción de nitritos sobrepaso el 70 %, pero al trabajar con 3 horas de retención hidráulica se logró un porcentaje mayor de remoción de nitritos sobrepasando el 90 %, esto indica que el tratamiento con biofiltro es una alternativa eficiente y económica por que remueven contaminantes de las aguas residuales (Herrera Velasquez y Rey Calderon, 2018), esta afirmación es contrastada con la investigación realizada por (Figueroa Jabel, 2018), quien realizo el tratamiento de las aguas residuales piscícola de Acopalca con un biofiltro relleno de Eucalyptus Globulus, el tratamiento de estas aguas residuales se realizó en tres tiempos de retención hidráulica (1 h, 2 h y 3 h) obteniendo eficiencias de remoción de 86,52 % NO2-, 78,31 % NO3-, 77,04 % NH4+, 68,19 % DQO y 75,07 % DBO, además al comparar los tres tiempos de retención hidráulica se obtuvo una mayor reducción con 3 h de retención hidráulica, los datos obtenidos sostienen la teoría de que el biofiltro con relleno de astillas de eucalipto es eficiente para tratar aguas con elevados cargas orgánicas y
45 amoniacales, además el material utilizado en el biofiltro se puede utilizar como abono natural a suelos que carecen de nutrientes.
El cambio de la concentración de nitritos con relación al tiempo se interpretó con un modelo cinético de primer orden y de segundo orden, en el cual se determinó a que modelo se ajustaron los datos obtenidos en el tratamiento.
A. Cinética de primer orden
Para representar el modelo cinético se emplean los criterios de la concentración del efluente piscícola, el modelo de Lagergren de psudo primer orden presenta la siguiente ecuación lineal (Figueroa, Moreno, &
Hormaza, 2015):
𝑙𝑛𝐶𝑡 = 𝑙𝑛𝐶0− 𝑘𝑡 Donde:
Ct = concentración de nitrito en cualquier tiempo (t).
C0 = concentración inicial de nitritos en la prueba.
K = constante cinética
Con los datos presentados en la tabla 4 se realizó el análisis de la cinética de primer orden, el cual se presenta en la figura 16.
Figura 16. Cinética de primer orden.
Fuente: Elaboración propia.
46 B. Cinética de segundo orden
La cinética de segundo orden fue explicada por Ho y Mckay. En este modelo se describe la interacción del tiempo de retención hidráulica y la concentración de nitrito en cualquier tiempo (Adauto Ureta, 2017).
1 𝐶𝑡 = 1
𝐶0+ 𝑘𝑡 Donde:
Ct = concentración de nitrito en cualquier tiempo (t).
C0 = concentración inicial de nitritos en la prueba.
K = constante cinética
t = tiempo de retención hidráulica utilizado en el tratamiento.
En la figura 17 se presenta el modelo cinético de segundo orden obtenido en función del tiempo y la concentración después del tratamiento con el biofiltro.
Figura 17. Cinética de segundo orden.
Fuente: Elaboración propia.
Las constantes y los coeficientes de correlación obtenidos con los modelos cinéticos de primer y segundo orden para la adsorción de nitritos utilizando un biofiltro con relleno de astillas de eucalipto se presenta en la tabla 6.
47
Tabla 6. Coeficientes de correlación de la cinética de primer y segundo orden.
Tamaño (cm)
primer orden segundo orden C0
(mgL-1)
K
(min-1) R2 C0
(mgL-1)
K (Lmg-
1min-1) R2
0.2 1.7844 0.7366 0.9809 -85.4701 1.5892 0.8758 1 2.4680 1.3699 0.8614 -0.1181 14.454 0.6325 4.5 1.5834 0.3338 0.9981 1.7550 0.3647 0.9663
Fuente: Elaboración propia.
De la tabla 6 se deduce que la cinética de primer orden se ajusta mejor al proceso de remoción de nitritos del efluente piscícola, esta afirmación se realiza a partir del valor de R2 = 0.9981 también con el valor de la concentración inicial 1,5834 mgL-1, ya que este valor se aproxima mejor al valor inicial 1,577 mgL-1, el modelo de primer orden se usa ampliamente para describir la adsorción física (Zhou, Xu, & Li, 2019).
12.2.2. Tamaño de astillas que reduce mayor la concentración de nitritos.
Para establecer que tamaño de astillas de eucalipto redujo mejor el porcentaje de nitritos utilizando el biofiltro se realiza un gráfico de dispersión con los datos de la tabla 5.
Figura 18. Concentración de nitritos vs tamaño de astillas.
Fuente: Elaboración propia.
En la figura 18 se observa cómo influye el tamaño de las astillas de eucalipto en la remoción de nitritos, se observa que al utilizar el tiempo de retención hidráulica de 1 hora el porcentaje de remoción de nitritos fue de 35 % al utilizar 0,2 cm de astillas de eucalipto, cuando el tratamiento se realizó con 1 cm de astillas se logró una remoción de 50 % siendo el más
