UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
REDUCCIÓN DE MICROORGANISMOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES UTILIZANDO CELDAS DE
COMBUSTIBLE MICROBIANAS
Tesis
Presentado por:
Bach. Martinez Gutierrez, Nettzy Yessenia
Para optar el Título Profesional de Ingeniera Químico Ambiental
HUANCAYO - PERÚ 2022
Bach. Zacarias Rojas, Jhonny Iván
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico
INFORME N° 015-2022-CALM-FIQ-UNCP
A : Dra. JUANA MARÍA MENDOZA SÁNCHEZ
Decana (e) de la Facultad de Ingeniería Química
DE : Dr. CESAR AUGUSTO LOAYZA MORALES
Docente Asesor de Tesis – Facultad de Ingeniería Química – UNCP ASUNTO : REPORTE DE SIMILITUD DE CONTENIDO (TURNITIN)
FECHA : Huancayo, 05 de diciembre de 2022
Mediante el presente me dirijo a usted para saludarle y la vez hacer de su conocimiento, que después de haber procedido a la verificación de similitud con el TURNITIN en cumplimiento a la Ley Universitaria N° 30220, Estatuto de la UNCP, Reglamento de investigación y la Resolución N° 2064-CU-2017 del Código de Ética de Investigación de la UNCP, el resultado fue el siguiente:
TÍTULO DE TESIS TESISTA RESULTADO DE SIMILITUD
“REDUCCION DE
MICROORGANISMOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES UTILIZANDO CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS”
• MARTÍNEZ GUTIÉRREZ, NETTZY YESSENIA
• ZACARIAS ROJAS, JHONNY IVÁN 17 %
Lo cual se informa a usted para los fines correspondientes. En consecuencia, recomiendo que los (las) tesistas continúen con sus trámites correspondientes.
Agradeciendo su atención especial al presente me despido reiterándole mi estima personal.
Atentamente.,
___________________________________
Dr. CESAR A. LOAYZA MORALES DOCENTE - ASESOR
cc. Archivo.
17 %
INDICE DE SIMILITUD
15 %
FUENTES DE INTERNET
1 %
PUBLICACIONES
7 %
TRABAJOS DEL ESTUDIANTE
1 3 %
2 2 %
3 2 %
4 2 %
5 1 %
6 1 %
7 1 %
8 < 1 %
REDUCCIÓN DE MICROORGANISMOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES UTILIZANDO CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS
INFORME DE ORIGINALIDAD
FUENTES PRIMARIAS
cideteq.repositorioinstitucional.mx
Fuente de Internet
repositorio.ug.edu.ec
Fuente de Internet
hdl.handle.net
Fuente de Internet
Submitted to Universidad Nacional del Centro del Peru
Trabajo del estudiante
Submitted to Universidad Continental
Trabajo del estudiante
arizona.openrepository.com
Fuente de Internet
repositorio.ucv.edu.pe
Fuente de Internet
sinia.minam.gob.pe
Fuente de Internet
63 < 1 %
64 < 1 %
65 < 1 %
66 < 1 %
67 < 1 %
68 < 1 %
Excluir citas Apagado
Excluir bibliografía Apagado
Excluir coincidencias Apagado
scielo.conicyt.cl
Fuente de Internet
www.engormix.com
Fuente de Internet
www.itccanarias.org
Fuente de Internet
www.jove.com
Fuente de Internet
www.aquahoy.com
Fuente de Internet
qdoc.tips
Fuente de Internet
ii TÍTULO
REDUCCIÓN DE MICROORGANISMOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES UTILIZANDO CELDAS DE
COMBUSTIBLE MICROBIANAS
iii NOMBRE DEL ASESOR
Dr. Cesar Augusto Loayza Morales
iv DEDICATORIA
A mi madre que supo formarme con buenos hábitos y valores, quien siempre me apoya incondicionalmente a conseguir mis objetivos.
también dedico a mi hijo Rryan quien es mi mayor motivación para nunca rendirme y llegar a ser un gran ejemplo para él.
Nettzy Yessenia
A mis padres y hermanas:
Que sin ellos no hubiera logrado mi meta profesional.
Mamá, gracias por estar en esta etapa, tu apoyo moral y entusiasmo que me brindaste para seguir adelante en mis propósitos. Papá, por el tiempo que estuviste conmigo compartiendo tus experiencias y conocimientos. Hermanas (Jaqueline y Estefany), por estar en todo momento con sus consejos y apoyarme a realizar mi tesis.
Jhonny Ivan
v AGRADECIMIENTO
A la Facultad de Ingeniería Química de la UNCP e ingenieros, por sus enseñanzas para desarróllame profesionalmente y haberme brindado todos sus conocimientos.
A mi familia con las cuales Dios nos ha bendecido, con su apoyo incondicional hemos podido lograr nuestras metas y objetivos desde nuestra infancia.
Por ello le rendimos un especial homenaje esperando brindarles más alegrías y victorias con nuestros futuros retos académicos y personales.
A mi tutor:
Ing. Loayza Morales Cesar Augusto, por el tiempo y esfuerzo de compartir su conocimiento, sin su instrucción profesional no hubiera llegado a este nivel, me brindo dedicación al impartir catedra de tal forma que lo aprendido sea utilizado en la vida real, por el apoyo brindado gracias.
A dios:
Por darme vida, salud y la sabiduría a lo largo del estudio de mi tesis.
vi RESUMEN
En la investigación se redujo microorganismos de las aguas residuales utilizando celdas de combustible microbianas (CCM) donde se evaluó el efecto de la variación del tiempo de contacto y el volumen del electrodo.
Primero se determinó las concentraciones iniciales Escherichia coli (E. coli) y coliformes termotolerantes, de las aguas residuales del distrito de San Agustín de Cajas obteniendo una concentración de 3,00E+05 UFC/mL para E. coli y NMP>1,10E+05/100 mL para Coliformes termotolerantes. Para la construcción CMM se utilizaron dos recipientes de vidrio; una cuba de 1,2 L y para el otro un vaso precipitado de 600 mL. Después del tratamiento se tomó 250 mL del agua tratada a tiempos de 408 h, 432 h y 480 h, se midió las concentraciones de E. coli mediante el método de recuento de placa por incorporación de agar y los coliformes termotolerantes mediante la técnica de tubos múltiples.
Para la reducción de los microorganismos se determinó el efecto del tiempo de contacto, a 408 horas se tuvo una reducción de 90,67 % y 80,00 % de E. coli y coliformes termotolerantes respectivamente, a 432 horas se tuvo una reducción del 97,67 % y 88,03
% de E. coli y coliformes termotolerantes respectivamente y a 480 horas se tuvo una reducción máxima de 98,83 % y 95,12 % para E. coli y coliformes termotolerantes respectivamente, para el efecto del volumen del electrodo de 405 cm3 se logró una reducción de 98,57 % y 92,91 % de E. coli y coliformes termotolerantes respectivamente y para 0,801cm3 una reducción de 98,83 % y 95,12 % para E. coli y Coliformes termotolerantes respectivamente. Para la interacción de las dos variables a un tiempo de contacto de 480 horas y un volumen de electrodo de 0,801 cm3 se tuvo 98,83 % y un 95,12 % de reducción de E. coli y coliformes termotolerantes respectivamente.
Concluyendo que la utilización de celdas de combustible microbiano es factible debido a que el porcentaje de reducción de microorganismos es similar a los logrados por otros procesos de tratamiento de aguas residuales.
Palabras claves: E. coli, coliformes termotolerantes, microorganismos, celdas de combustible microbiano,
vii INTRODUCCIÓN
La calidad del agua es una característica de vital trascendencia en el consumo humano y uso doméstico, de ahí que su preservación y manejo debe ser una constante preocupación del hombre, las aportaciones del ciclo hidrológico no ofrecen garantías a la humanidad, ya que únicamente dos tercios de la población mundial viven en zonas que reciben una cuarta parte de las precipitaciones anuales del mundo, además, con el crecimiento de la población se nota el aumento de las aguas residuales con ello la contaminación (Meoño, 2015).
En la actualidad las ciudades vierten aguas residuales parcialmente tratadas y no tratadas de procesos industriales, fertilizantes y plaguicidas utilizados en la agricultura, desechos domésticos, etc. Todo ellos se van a las aguas superficiales y subterráneas de las inmediaciones, esta situación hace más crítica la contaminación del medio ambiente en el presente ya que la falta de agua por la contaminación prácticamente afecta a toda la población mundial y el planeta será afectado por ello (Gorchev y Ozolins, 1984).
En el Perú a fines de 2007, el 63,6 % de la población urbana total tuvo servicio de alcantarillado administrado por empresas prestadoras de servicios de saneamiento (EPS);
el resto fue administrado directamente por las municipalidades o a través de operadores especializados (OES) en pequeñas ciudades, comités de agua o simplemente no cuenta con dicho servicio, durante ese año los sistemas de alcantarillado recolectaron aproximadamente 747,3 millones de metros cúbicos de aguas residuales, producto de las descargas de los usuarios conectados al servicio, de ese volumen solo se trató un 29,1 %, el resto paso a contaminar los cuerpos de agua superficial que se usan para la agricultura, pesca, recreación e incluso para el abastecimiento de agua potable (Méndez y Marchán, 2008).
En Junín se está originado la contaminación de ambientes acuáticos producto de las aguas residual, todo ello se origina a partir de que las plantas de tratamiento son escasas y por lo general, las aguas residuales son vertidas a los ríos o los lagos, dando origen a una seria contaminación de las aguas por saturación de materia orgánica y por los patógenos que puedan existir en ellas, algunas de estas plantas de tratamiento funcionan con lodos activados residuales, lo cual ha constituido en un serio problema para muchos ciudades de la región. Si bien, los lodos tienen un alto contenido de materia orgánica que favorecen las propiedades físicas intrínsecas del suelo, y mejoran la productividad, también aportan otros compuestos, tales como elementos trazas metálicas y altas cargas de microorganismos patógenos (Cusiche y Miranda, 2019)
viii La población en general está expuesta a enfermedades infecciosas debido a que las aguas residuales domesticas no son tratadas adecuadamente, ya que solo son descargadas en los ríos, lagos quebradas secas o en el mar, sin un adecuado tratamiento biológico, esto ocasiona grandes desechos de aguas contaminadas que se convierten en potenciales vehículos de muchas enfermedades. Siendo un problema que debería de mostrar mucha preocupación ya que el crecimiento poblacional es cada vez mayor y por ende se genera agua residual doméstica en mayor cantidad, hace que la capacidad de resiliencia para absorber y neutralizar esta carga contaminante sea imposible y por ello el agua perdió sus condiciones naturales y su capacidad para sustentar vida acuática.
El trabajo de investigación aplico la tecnología de las celdas de combustible microbiana en el tratamiento de las aguas residuales la cual tiene resultados prometedores para la reducción microorganismos patógenos.
El presente trabajo de investigación tiene 3 capítulos, el primer capítulo contiene los antecedentes, el marco teórico y conceptual, el segundo capítulo la metodología, diseño y procedimiento experimental y el ultimo capitulo los resultados, discusión de resultado y contrastación de hipótesis. Finalmente se tiene las conclusiones, recomendaciones, la bibliografía utilizada y las fotografías en anexos.
ix OBJETIVOS
Objetivo general:
Determinar la reducción de microorganismos en el tratamiento de aguas residuales utilizando una celda de combustible microbiana.
Objetivos específicos:
Cuantificar el número más probable de microorganismos presentes en el agua residual.
Determinar el efecto de la variación del tiempo de contacto en una celda de combustible microbiana en la reducción de los microorganismos.
Determinar el volumen de electrodos en la celda de combustible microbiana en la reducción de los microorganismos.
x ABREVIATURA UTILIZADA
CCM : Celda de combustible microbiana
LC-MS : Técnica analítica de separación física de compuestos
SMFC : Sistema combinado de pila de celda de combustible microbiana de lodo MBR : Biorreactor de membrana
PTFE : Politetrafluoroetileno
CF-RSU : Cenizas de fondo de residuos sólidos urbanos DQO : Demanda Química de Oxigeno
CE-MFC : Celdas de combustible microbianas de electrodo de casete ASE : Auto electrolisis anaeróbica
OD : Oxígeno disuelto
CTE : Coliformes termotolerantes NMP : Numero más probable
UFC : Unidad formadoras de colonias
xi ÍNDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIA iv
AGRADECIMIENTO v
RESUMEN vi
INTRODUCCIÓN vii
OBJETIVOS ix
ABREVIATURA UTILIZADA x
ÍNDICE DE CONTENIDO xi
ÍNDICE DE TABLAS xiv
ÍNDICE DE FIGURAS xvi
CAPÍTULO I 18
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 18
1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN: 18
1.2. MARCO TEÓRICO 28
1.2.1. Aguas residuales 28
1.2.2. Celda de Combustile Microbiana (CCM) 30
1.2.3. Tipos de Celdas de Combustible Microbiano 34
1.2.4. Microorganismos 36
1.2.5. Tiempo de Contacto en las Celdas de Combustible microbiano (CCM) 39
1.3. MARCO CONCEPTUAL 40
1.3.1. Aguas residuales urbanas 40
1.3.2. Celda de combustible microbiana (CCM) 40
1.3.3. Microorganismo 40
1.3.4. Sustrato 40
1.3.5. Ánodo 40
1.3.6. Cátodo 40
1.3.7. Puente Salino 40
xii
1.3.8. Agar MacConkey 41
CAPÍTULO II 42
2. PARTE EXPERIMENTAL 42
2.1. METODOLOGÍA 42
2.2. DISEÑO EXPERIMENTAL 42
2.3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 43
2.3.1. Materiales 43
2.3.2. Reactivos 44
2.3.3. Equipos 44
2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 44
3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 50
3.1. Resultados 50
3.1.1. Concentración inicial 50
3.1.2. Resultado de las concentraciones después del tratamiento 51 3.1.3. El efecto del volumen de electrodos en la reducción de
microorganismos 52
3.1.4. Tiempo de contacto para la reducción de microorganismos 57 3.1.5. Determinación de la relación del volumen de electrodo y tiempo de
contacto en la reducción del microorganismo utilizando celdas
de combustible microbiana 63
3.2. Discusión de resultados 67
3.3. Contrastación de hipótesis 71
3.3.1. Pruebas de Normalidad 71
3.3.2. Contrastación de hipótesis para la concentración de
microorganismos iniciales 72
3.3.2. Contrastación de hipótesis para el tiempo de contacto y volumen
de electrodos 74
CONCLUSIONES 79
xiii
RECOMENDACIONES 80
BIBLIOGRAFÍA 81
ANEXOS 81
xiv ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Niveles de las variables ... 42 Tabla 2: Matriz de diseño experimental ... 42 Tabla 3: Concentraciones iniciales de los microorganismos ... 50 Tabla 4: Concentraciones de E. coli en el agua residual doméstica en el tratamiento ...
con celdas de combustible microbiano ... 51 Tabla 5: Concentraciones de Coliformes termotolerantes en el agua residual ...
doméstica en el tratamiento con celdas de combustible microbiano ... 52
Tabla 6: Estadístico descriptivos de la reducción de microorganismos de las ...
aguas residuales utilizando celdas de combustible microbiano en función del volumen ..
de electrodos ... 52 Tabla 7: Reducción de E. coli con un volumen de electrodo de 0,405cm3 ... 54 Tabla 8: Reducción de Coliformes termotolerantes (NMP/100mL) con un volumen ...
de electrodo de 0,405cm3... 55 Tabla 9: Reducción de E. coli y Coliformes termotolerantes con un volumen de ...
electrodo de 0,801 cm3 ... 55 Tabla 10: Reducción de Coliformes termotolerantes con un volumen de electrodo ...
de 0,801 cm3 ... 56 Tabla 11: Estadístico descriptivos de la reducción de microorganismos de las ...
aguas residuales utilizando celdas de combustible microbiano en función del tiempo...
de contacto ... 57 Tabla 12: Reducción de E. coli y Coliformes termotolerantes con un tiempo de ...
contacto de 408 horas ... 59 Tabla 13: Reducción de Coliformes termotolerantes con un tiempo de contacto ...
de 408 horas ... 60 Tabla 14: Reducción de E. coli y Coliformes termotolerantes con un tiempo de ...
contacto de 432 horas ... 60 Tabla 15: Reducción de Coliformes termotolerantes con un tiempo de contacto ...
de 432 horas ... 61 Tabla 16: Reducción de E. coli con un tiempo de contacto de 480 horas ... 62
Tabla 17: Reducción de Coliformes termotolerantes con un tiempo de contacto ...
de 480 horas ... 62
xv Tabla 18: Degradación de E. coli del agua residual doméstica en el tratamiento ...
utilizando celdas de combustible microbiano ... 63
Tabla 20: Degradación de coliformes termotolerantes del agua residual doméstica ... en el tratamiento utilizando celdas de combustible microbiano ... 66
Tabla 21: Estadística descriptiva para E. coli ... 73
Tabla 22: Estadística descriptiva para coliformes termotolerantes ... 73
Tabla 23: Información de diseño ... 74
Tabla 24: Análisis de Varianza para E. coli ... 75
Tabla 25: Resumen de modelo estadístico ... 75
Tabla 26: Análisis de Varianza para coliformes termotolerantes ... 75
Tabla 27: Resumen de modelo estadístico ... 76
xvi ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Celda de Combustible microbiano de dos camaras ... 34
Figura 2: Celda de Combustible microbiana de una camara ... 35
Figura 3: Celda de Combustible Microbiana apilados ... 36
Figura 4: Cepas de E. Coli ... 37
Figura 5: Enterobacter hormaechei con 24 h de incubación. A) agar MacConkey; ... B) agar sangre de cordero 5%; C) agar CPS (bioMerieux®). ... 38
Figura 6: Montaje Experimental ... 45
Figura 7: Diagrama del proceso experimental ... 49
Figura 8: Límite máximo permisible comparado con las concentraciones ... inicial de microrganismos ... 50
Figura 9: Límite máximo permisible comparado con las concentraciones ... inicial de microrganismos ... 51
Figura 10: Diagrama de la reducción de E. coli del agua residual doméstica en ... función del volumen de electrodo ... 53
Figura 11: Diagrama de la reducción de Coliformes termotolerantes del agua ... residual doméstica en función del volumen del electrodo ... 54
Figura 12: Reducción de E. coli y coliformes termotolerantes con un volumen ... de electrodos de 0,405cm3 ... 55
Figura 13: Reducción de E. coli y Coliformes termotolerantes con un volumen ... de electrodo de 0,801 cm3... 56
Figura 14: Diagrama de la reducción de E. coli en función del tiempo de contacto ... 58
Figura 15: Diagrama de la reducción de Coliformes termotolerantes en función del ... tiempo de contacto ... 59
Figura 16:Reducción de E. coli y Coliformes termotolerantes con un tiempo de ... contacto de 408 horas ... 60
Figura 17: Reducción de E. coli y Coliformes termotolerantes con un tiempo de ... contacto de 432 horas ... 61
Figura 18: Reducción de E. coli y Coliformes termotolerantes con un volumen de ... contacto de 480 horas ... 62
Figura 19: Grafica de contorno del % de Reducción de E. coli en función al volumen .. de electrodo y tiempo de contacto ... 64
Figura 20: Concentración de E. coli de las aguas residuales domesticas después ... del tratamiento utilizando celdas de combustible microbiano en función al tiempo ... 65
xvii Figura 21: Grafica de contorno del % de Reducción de coliformes termotolerantes ...
en función al volumen de electrodo y tiempo de contacto ... 66
Figura 22: Concentración de coliformes termotolerantes de las aguas ...
residuales domesticas después del tratamiento utilizando celdas de ...
combustible microbiano en función al tiempo ... 67 Figura 23: Probabilidad normal para los E. coli ... 71 Figura 24: Probabilidad normal para los Coliformes termotolerantes ... 72 Figura 25: Diagrama de Pareto de efectos estandarizados en la reducción de E. coli.... 77 Figura 26: Diagrama de bareto en el análisis de reducción de Coliformes ...
termotolerantes ... 78
18 CAPÍTULO I
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN:
Wei et al. (2015), determinaron la obtención de la electricidad a partir de aguas subterráneas contaminadas con benceno y amonio utilizando una celda de combustible microbiana con un cátodo aireado, donde se trató continuamente usando una celda de combustible microbiana (MFC) con un cátodo aireado y un control sin aireación en el cátodo, el benceno se eliminó por completo en el MFC del cual el 80 % desapareció en el ánodo anóxico y el amonio se oxidó a nitrato en el cátodo que no estaba directamente relacionado con la generación de electricidad, en el cual construyeron dos reactores MFC, así obtuvieron eficiencias Coulombicas y energéticas de 14 % y 4 % en base a la degradación anódica del benceno, donde también el reactor de control no pudo generar electricidad y puede considerarse como un mesocosmos en el que el grafito granular fue colonizado por degradadores de benceno con una menor eficiencia de eliminación de benceno en comparación con el MFC, se eliminó benceno (20
%) en el cátodo, lo que resultó en una eficiencia de eliminación de benceno general del 100 % en el efluente catódico y el amonio desapareció completamente en el efluente catódico, mostrando finalmente una eficiencia de remoción del 100
%, este estudio proporcionó información valiosa sobre la aplicación de MFC para tratar aguas subterráneas contaminadas con hidrocarburos de petróleo y amonio.
Al-Ansari, Benabdelkamel, y Al-Humaid (2021), determinaron la degradación de sulfadiazina y generación de electricidad a partir de aguas residuales usando Bacillus subtilis EL06 integrado con un sistema de circuito abierto, donde analizaron la producción simultánea de electricidad y la biorremediación de sulfadiazina de las aguas residuales utilizando celdas de combustible microbianas (MFC) y un sistema de circuito abierto en el cual para ese experimento usaron un MFC de doble cámara, y el volumen de la cámara del ánodo y el cátodo fue de aproximadamente 0,5 L como cátodo y ánodo de MFC, respectivamente, en su análisis LC-MS reveló una disminución de la concentración de sulfadiazina en el sistema de circuito abierto y en la cámara MFC cerrada y la actividad microbiana
19 reducida da como resultado una degradación de antibiótico agotada, la eliminación máxima de DQO (91,9±2,3 %) se obtuvo en la cámara de MFC y fue de alrededor de 60,8±2,7 % en la cámara de circuito abierto, el contenido inicial de fósforo total del agua residual alimentada con el reactor fue de 1350 mg/L y se redujo considerablemente después del tratamiento en el sistema MFC (89,9±2,8
%), en MFC la generación de electricidad alcanzó el máximo dentro de las 60 h de tratamiento (1,28±0,1 V), la tensión electro génica Bacillus subtilis se caracterizó a partir de la MFC y se analizó la tolerancia a la sulfadiazina, estos hallazgos demostraron que las MFC son útiles para la biorremediación simultánea de aguas residuales y generación de electricidad.
Rabaey et al. (2008), realizaron la reducción de oxígeno catódico catalizada por bacterias en celdas de combustible microbianas, donde describen un cátodo de carbono abierto al aire, en el que las bacterias adheridas catalizaron la reducción de oxígeno, en la metodología que usaron los MFC tenían el mismo diseño de ánodo y se rellenaron con grafito granular, así las bacterias presentes pudieron reducir el oxígeno como el último aceptor de electrones utilizando electrones proporcionados por el cátodo de fase sólida, las densidades de corriente de hasta 2,2 A.𝑚−2 superficie proyectada del cátodo (0,303±0,017 W𝑚−2, 15 W𝑚−3 volumen total del reactor), la fuerte disminución en las pérdidas por activación indica que las bacterias funcionan como verdaderos catalizadores para la reducción de oxígeno, debido al alto sobrepotencial para la reducción no catalizada, el oxígeno solo es competitivo de forma limitada con respecto al donante de electrones, es decir, el cátodo justifica una mayor investigación para refinar los parámetros operativos y aumentar la densidad de corriente modificando la superficie del electrodo y dilucidando el metabolismo bacteriano.
Zhang et al. (2013), realizaron una investigación in situ de las pilas de combustible microbianas tubulares desplegadas en un tanque de aireación en una planta de tratamiento de aguas residuales municipales, donde la metodología para examinar la viabilidad de integrar celdas de combustible microbianas (MFC) fue un proceso de lodos activados, así instalaron tres MFC con diferentes membranas de intercambio iónico y/o catalizadores de cátodo en un tanque de aireación para tratar el efluente primario, tanto el tratamiento de contaminantes como la generación de electricidad fueron estudiados durante la operación por más de 400
20 días, no se observaron los efectos de la membrana/catalizadores en el rendimiento de MFC, probablemente debido a la baja eliminación de la demanda química de oxígeno provocada por la baja generación de electricidad, dándose cuenta que los MFC no lograron ninguna eliminación obvia de nutrientes , la energía producida fue inferior al consumo energético teórico, el rendimiento se vio gravemente afectado por la contaminación biológica del cátodo.
Zhao y Kong (2018), realizaron la eliminación de piraclostrobina por degradación microbiana simultánea junto con el proceso Fenton en celdas de combustible microbianas y la comunidad microbiana, esto lo hicieron en un sistema de celda de combustible microbiano (MFC), después de 12 horas de incubación la tasa de eliminación de piraclostrobina fue de 1,4 mg/L/h en el ánodo y de 1,7 mg/L/h en el cátodo, la concentración de piraclostrobina fue menor que la detección límite (0,1 mg/L) después de 72 h en el ánodo y 24 h en el cátodo, el caudal de aire, la temperatura y el pH del catolito tuvieron efectos significativos en la generación de H2O2, la producción máxima de H2O2 fue de 1,2 mg/L después de la reacción durante 20 h durante el proceso Fenton, así concluyeron que el sistema MFC- Fenton proporciona un enfoque eficaz para el tratamiento de contaminantes ambientales.
Gonzalez-Martínez et al. (2018), realizaron la aplicación de la tecnología de pilas de combustible microbianas para el tratamiento de aguas residuales y la generación de electricidad en las condiciones climáticas de los países nórdicos:
estudio de rendimiento y comunidades microbianas, donde construyeron dos MFC para el experimento, cada uno de ellos estaba compuesto por dos cámaras con un volumen de 1,2 L, las cámaras estaban separadas por una membrana Nafion™
Membrana N117 que evitaba el paso de electrones entre ellos, así inocularon dos celdas de combustible microbianas con lodo activado de Finlandia y se operaron bajo moderado (25 ºC) y baja (8 ºC) temperaturas, la operación bajo aguas residuales urbanas reales mostró similitudes en la eliminación de la demanda química de oxígeno y el voltaje generado, aunque moderado la temperatura admitió una mayor oxidación de amonio, los hongos desaparecieron en la celda de combustible microbiana operada a una temperatura de 25 ºC, el dominio de las arqueas estuvo dominado por arqueas metano génicas en ambos escenarios de temperatura, observaron diferencias importantes en las comunidades bacterianas
21 entre ambas temperaturas, pero generando un voltaje similar, así pudieron concluir que los resultados apoyaron que la implementación de pilas de combustible microbianas en los países nórdicos operando en condiciones reales podría ser exitoso, así como sugirió la flexibilidad del inóculo adaptado al frío para la puesta en marcha microbiana pilas de combustible, independientemente de la temperatura de funcionamiento del sistema, obteniendo una mayor eliminación de DQO y desempeños de generación de voltaje a baja temperatura que a temperatura moderada.
Su et al. (2013), propusieron un novedoso sistema combinado de pila de celda de combustible microbiana de lodo (SMFC) y biorreactor de membrana (MBR), la metodología que usaron fue un sistema de celda de combustible microbiano de cátodo de aire de cámara única con una cámara anódica cúbica que estaba equipado con un ánodo de tela de carbono sin impermeabilización en húmedo y cátodo contenía 10 % de platino como catalizador y capas de difusión de politetrafluoroetileno (PTFE) de cuatro revestimientos y la distancia entre los dos electrodos era de 4 cm, donde en el sistema combinado las eficiencias de tratamiento de DQO y amoníaco fueron superiores al 90 % y la reducción de lodos fue un 5,1 % superior a la del MBR convencional, además vieron que el sistema combinado puede mitigar el ensuciamiento de la membrana por la modificación del lodo, excepto por la disminución del contenido 22 %, así pudieron ver que en el sistema combinado se podía obtener un tratamiento eficaz de aguas residuales, reducción de lodos, recuperación de energía y mitigación del ensuciamiento de las membranas.
Kumar et al. (2019), investigaron sobre pilas de combustible microbianas (MFC) para el tratamiento bioelectroquímico de diferentes corrientes de aguas residuales, en donde la tecnología Microbial Fuel Cell (MFC) presenta una alternativa apropiada para el tratamiento de aguas residuales con energía positiva y permite el tratamiento sincronizado de aguas residuales, la producción de bioelectricidad y la recuperación de recursos a través de la remediación bioelectroquímica mediada por microbios, en cual vieron que las ventajas de usar la tecnología MFC para el tratamiento de efluentes es que varios procesos de base biológica, incluida la eliminación de la demanda bioquímica y química de oxígeno, nitrificación, desnitrificación, la eliminación de sulfatos y la eliminación de metales pesados se pueden llevar a cabo en el mismo biorreactor. Por lo tanto, las MFC pueden
22 sustituir y complementar las tecnologías convencionales intensivas en energía para la eliminación eficiente y la recuperación de sulfato, nitrógeno y fosfato sin ningún tratamiento terciario electro activos, siendo así que esta revisión cubre los avances recientes en la utilización de la tecnología de celdas de combustible microbianas para la eliminación de contaminantes orgánicos y recalcitrantes de una amplia gama de efluentes industriales y domésticos con la producción simultánea de energía de bajo costo.
Uddin, Jeong, and Lee (2021), en su investigación propusieron el uso de la tecnología de celdas de combustible microbianas (MFC) para reducir el Cr (VI) tóxico presente en las aguas residuales industriales a cromo trivalente menos tóxico Cr (III), mientras se genera electricidad a través de un proceso bioelectroquímico de oxidación-reducción, teniendo la información que a diferencia del Cr (VI), el Cr (III) es menos móvil y estable en ambientes ácidos;
sin embargo, en ambientes alcalinos se oxida fácilmente a Cr (VI), en el cual los factores que influyen en el proceso de tratamiento y la generación de electricidad incluyen la concentración de Cr (VI) en las aguas residuales, los tipos de sustrato utilizados para los ánodos, los tipos de microorganismos involucrados, los tipos de cátodo y ánodo, el área superficial del cátodo y el ánodo, y el pH y la temperatura, si bien la tecnología MFC puede eliminar otros metales pesados en las aguas residuales, la eliminación de Cr (VI) es más eficiente en términos de generación de electricidad de soluciones catódicas y anódicas, según investigaron en la actualidad la generación de electricidad basada en MFC junto con la eliminación de Cr (VI) es una posible fuente futura de energía sostenible.
Miyahara, Hashimoto, y Watanabe (2013), modificaron las celdas de combustible microbianas de electrodo de casete (CE-MFC) para su aplicación al tratamiento de aguas residuales y examinaron su utilidad en un experimento a largo plazo para tratar aguas residuales sintéticas que contenían almidón, extracto de levadura, peptona, aceite vegetal y un detergente aproximadamente 500 mg de demanda química total de oxígeno [DQO] por litro, en donde equiparon un reactor MFC, así demostraron que CE-MFC logró tasas de eliminación de DQO del 80 % en tiempos de retención hidráulica de 6 h o más, y se generó electricidad a una densidad de potencia máxima de 150 mW·mL2 y eficiencia Coulombica del 20%,
23 tales resultados demuestran la utilidad de CE-MFC para el tratamiento de aguas residuales.
Gude (2016), investigó sobre tratamiento de aguas residuales en celdas de combustible microbianas, en donde menciona el contexto del presente y futuro del combustible microbiano en el cual la tecnología celular puede presentar una ruta sostenible y respetuosa con el medio ambiente para satisfacer las necesidades de saneamiento del agua, los sistemas de aguas residuales basados en celdas de combustible microbianas emplean actividad catalítica bioelectroquímica de los microbios para producir electricidad a partir de la oxidación de sustratos orgánicos, y en algunos casos inorgánicos presentes en las aguas residuales urbanas, aguas residuales agrícolas, lácteas, alimentarias e industriales, así las necesidades energéticas actuales para el tratamiento de aguas residuales y opciones potenciales de recuperación de energía seguidas de una revisión exhaustiva de los principios de tratamientos de aguas residuales, haciendo el uso de sustratos que puede llegar a innovadores y configuraciones de procesos integrados junto con la experiencia en estudios a escala piloto son se requiere con urgencia para determinar el potencial real de la tecnología de celdas de combustible microbianas para proporcionar un tratamiento de aguas residuales sostenible y energéticamente positivo.
Zhou et al. (2018), determinaron la producción simultánea de electricidad y eliminación de antibióticos por celdas de combustible microbianas, donde investigaron el desempeño de la celda de combustible microbiana (MFC) en términos de degradación de antibióticos típicos, mediante los métodos analíticos de electricidad, de calidad de aguas residuales y el método analítico cualitativo y cuantitativo para antibióticos, así la electricidad lo produjeron con éxito mediante el uso de mezclas de lodos sobrenadantes y aguas residuales animales sintetizadas como inoculación en MFC en donde los resultados demostraron que el voltaje estable, la densidad de potencia máxima y la resistencia interna de la auto electrólisis anaeróbica (ASE) -112 y ASE-116 sin adición de antibióticos fueron 0,574 V; 5,78 Wm-3 y 28,06Ω, y 0,565 V; 5,82 Wm-3 y 29,38 Ω, respectivamente, simultáneamente observaron que el análisis LC-MS mostró que la eficiencia de eliminación de aureomicina, roxitromicina y norfloxacina fue del 100 % y la eficiencia de eliminación de la sulfadimidina también alcanzó el 99,9 %, estos resultados indicaron que los antibióticos mostraron inhibiciones significativas
24 para el rendimiento de la electricidad pero mejoraron la calidad del agua simultáneamente.
Wang et al. (2018), determinaron la biodegradación de Sulfadiazina en celdas de combustible microbianas por mecanismo de reacción, eliminación de biotoxicidad y correlacionar con los microbios del reactor , es así donde exploraron la eliminación de SDZ en combustible microbiano células (MFC), en términos de operación de MFC , siendo así donde vieron que el SDZ tendría un gran impacto en la actividad de los microbios del reactor, y a largo plazo se requiere aclimatación para la biodegradación de SDZ en MFC, así el análisis espectroscópico mostró que SDZ podría degradarse en 2-aminopirimidina, 2- amino-4-hidroxipirimidina y ácido bencenosulfínico, comparando el SDZ encontraron que la parte de sulfanilamida se degradaría en ácido bencenosulfínico en el sistema, después que analizaron la comunidad microbiana del reactor y la eliminación de SDZ en diferentes ciclos de operación, encontraron que la abundancia relativa metanocorpúsculo, micobacteria, Clostridium, Thiobacillus, Enterobacter, Pseudomonas y estenotrofomonas estuvo altamente correlacionado con la eliminación de SDZ a lo largo del experimento.
Yu et al. (2011), construyeron sistemas de tratamiento de aguas residuales a escala de banco que utilizan técnicas MFC aireadas por membrana (MAMFC) y (MFC) aireadas por difusor (DAMFC) para la eliminación simultánea de carbono y contaminante nitrogenados y la producción de electricidad a partir de aguas residuales, en donde construyeron dos biorreactores idénticos basados en MFC a escala de laboratorio, teniendo 210 días de operación de flujo continuo, así cuando el oxígeno disuelto (OD) en el compartimiento catódico se mantuvo en 2 mg/L, ambos reactores demostraron una alta remoción de DQO (> 99 %) y una alta remoción de amoníaco (> 99 %) pero baja eliminación de nitrógeno (<20%) y cuando se mantuvo un DO más bajo (0,5 mg/L) después del día 121, ambos reactores basados en MFC aún tenían una excelente eliminación de DQO (>97%), sin embargo, la eliminación de nitrógeno de MAMFC (52 %) fue dos veces mayor que la de DAMFC (24 %), lo que indica un rendimiento mejorado de la desnitrificación después de la reducción de OD en el compartimento catódico de MAMFC y la salida de voltaje promedio en MAMFC fue significativamente más alta que en DAMFC en ambas condiciones de OD, teniendo así que los resultados
25 sugieren que los sistemas MAMFC tienen el potencial para el tratamiento de aguas residuales con una mejor eliminación de nitrógeno y producción de electricidad.
Dong et al. (2015), diseñaron un sistema combinado de una celda de combustible microbiana y un filtro biológico aireado intermitentemente (MFC-IABF) de manera energéticamente autosuficiente, donde plantearon una estrategia basada en el aprovechamiento in situ de la electricidad generada para autoabastecimiento energético proceso de tratamiento de aguas residuales con sistema combinado basado en MFC, en el cual el sistema El sistema fue alimentado con agua residual sintética (DQO = 1000mg. 𝐿−1) en modo continuo durante más de 3 meses a temperatura ambiente ( 25 ° C), la salida de voltaje se incrementó a 5±0,4 V utilizando un circuito basado en condensador, el MFC produjo electricidad para alimentar los sistemas de aireación y bombeo en IABF, eliminando al mismo tiempo el DQO, este sistema combinado de dos etapas obtuvo un 93,9 % de remoción de SCOD y un 91,7 % de remoción de TCOD (efluente SCOD = 61 mg. 𝐿−1, TCOD = 82,8 mg. 𝐿−1), el análisis de energía indicó que la unidad MFC produjo suficiente energía (0,27 kWh𝑚−3) para apoyar el sistema de bombeo (0,014 kWh𝑚−3) y sistema de aireación (0,22 kWh𝑚−3), en cual los resultados demostraron que el sistema combinado MFC-IABF podría funcionar de manera autosuficiente desde el punto de vista energético, lo que daría como resultado un efluente de alta calidad.
Juanitaflor, (2021) Evaluó la eficiencia del biodigestor que trata agua residual domestica rural en el Anexo Santeño perteneciente al Sector el Carmen del distrito de Tumán. La calidad microbiológica del agua residual domestica rural inicial tenía un valor del NMP ≥ 2400/100 mL de las coliformes termotolerantes el cual encuentran por encima de los límites máximos permisibles fijados por el DS 004- 2017-MINAM. Para realizar el experimento se utilizaron 4 biodigestores 1 del testigo y 3 para probióticos (M1, M2 y M3), Se adiciono 1 litro, 10 litros y 100 litros de consorcios microbianos denominados probióticos. Los análisis de las concentraciones de Coliformes Termotolerantes se determinó transcurridas 24 horas, 48 horas y 96 horas por la técnica del NMP/100 mL. Los resultados obtenidos para el tratamiento de 24 horas fue de 2400 NMP/100 mL para todos los volúmenes de consorcios bacterianos adicionados, para el tratamiento de 48 horas fue de 2400 NMP/100 mL, 1100 NMP/100 mL , 1100 NMP/100 mL para 1
26 litro, 10 litros y 100 litros respectivamente y para el tiempo de 96 horas fue de 2400 NMP/100 mL , 1100 NMP/100 mL , 150 NMP/100 mL para 1 litro, 10 litros y 100 litros respectivamente. El efecto más notable es la adición de 100 litros de consorcios microbianos denominados probióticos, permitió obtener agua residual domestica de mejor calidad microbiológica, logró reducir las coliformes termotolerantes hasta NMP=150/100 mL, valor que se encuentra por debajo de los Límites Máximos permisibles según el DS 004-2017-MINAM.
Juárez, (2020) En este trabajo, investigo la configuración de una celda de combustible microbiana sin membrana (MCF) de flujo ascendente el objetivo fue evaluar el efecto de tres distintas configuraciones catódicas en relación al tamaño del electrodo en el desempeño de MCB, para el tratamiento de aguas residuales y la producción de energía eléctrica a escala laboratorio, las tres proporciones de tamaño de ánodo/cátodo, se definieron así: pequeña (1:1,4), mediana (1:3) y grande (1:5), el tamaño del cátodo pequeño fue de 30 cm x 50 cm x 10 cm, el mediano de 30 cm x 25 cm x 10 cm y el grande 30 cm x 12,5 cm x 10 cm estos estaban hechos de carbón activado granular y la evaluación se realizó en base al porcentaje de remoción de materia orgánica expresado en DQO, voltaje, corriente y densidad de potencia. La celda que presentó una mayor eficiencia en remoción fue la CCM grande logrando un promedio de entre el 83 % y 86 %, seguida de la CCM chica teniendo un rango de 67 % y 70%, seguida de la mediana con valores entre 62 % y 67 %. la mayor eficiencia se logró con la CCM grande, ya que el cátodo en esta celda es de mayor tamaño, lo que facilita la trasferencia de electrones de la superficie del electrodo al oxígeno. Sin embargo, la celda con cátodo más pequeño tiene mejor eficiencia que la celda mediana, lo que pudiera estar relacionado con el hecho de que en la celda mediana tuviera mayor crecimiento microbiano en la zona del cátodo lo que hacía que parte de la materia orgánica producida por este saliera en el efluente fenómeno que no ocurrió en la CCM chica. Concluyendo que la remoción de DQO fue mejor utilizando un cátodo con un área 5 veces mayor ya que se obtuvo un promedio de 83%.
Opoku et al., (2022) examinaron el impacto del volumen de aguas residuales en la fuerza iónica de un aceptor de electrones, se investigó el rendimiento de un MFC de cátodo único compartido de múltiples (4) ánodos (MFC 1) de 1000 mL y se comparó su rendimiento con dos de ánodo único estándar de 250 mL. /cátodo
27 MFCs, el primero (MFC 2) con la misma superficie de cátodo que el MFC 1:
84cm2 y el segundo (MFC 3) con 42cm2. El rendimiento de las MFC se evaluó bajo resistencias externas altas y bajas para dilucidar las diferencias en el rendimiento de las MFC. MFC 2 (4,36 mW/cm2 a 0,0102 mA/cm2) produjo una densidad de potencia 2,8 veces y 1,02 veces mayor que la de MFC 1 y MFC 3, respectivamente. El MFC de cátodo compartido de múltiples (4) ánodos (MFC 1) produjo la resistencia interna más baja (100 Ω), que fue más de 3 veces menor que MFC 2 y MFC 3. Con la resistencia externa más baja de 100 Ω, Se reveló una clara diferencia entre el MFC de cátodo compartido de múltiples ánodos y los MFC de ánodo/cátodo único en la generación de energía y corriente continua (1,2 mA y 153,76 mW), que eran 1,7 veces y 2,7 veces mayores que las de MFC 2 y MFC 3, respectivamente. MFC 1 también logró una eficiencia de eliminación de DQO 1,1 veces mayor y trató 1000 mL de aguas residuales sin ninguna diferencia significativa en la conductividad y el pH del anolito/catolito, en comparación con MFC 2 y MFC 3, que solo trataron 250 mL de aguas residuales durante el mismo tiempo.
(Auccatinco Hirpahuanca, 2021) El trabajo de investigación tuvo como objetivo estimar la eficiencia en el tratamiento de aguas residuales en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (P.T.A.R.) en el distrito de Cusipata,. Se realizó el monitoreo de dos puntos, para el primer punto el ingreso de la planta (afluente) y el segundo punto a egreso de la misma (efluente). Las concentraciones en el afluente de la planta son: grasas y aceites igual a 14 mg/L , coliformes termotolerantes igual a 3,5E10+7 NMP/100mL, DBO5 igual a 182 mg/L, DQO igual a 360mg/L, pH igual a 7,8 , SST=78 mg/L, y las concentraciones en el efluente son: grasas y aceites igual a 9,8 mg/L , coliformes termotolerantes igual a 5,4E10+7 NMP/100mL, DBO5 igual a 133 mg/L, DQO igual a 274 mg/L, pH igual a 8, SST=50 mg/L, Con los resultados obtenidos se verificó la eficiencia del tratamiento de aguas residuales y estos datos nos indica que el tratamiento es ineficiente, así mismo la carga de contaminantes en el efluente es alta ya que la planta de tratamiento de aguas residuales (P.T.A.R.), no realiza una adecuada depuración de grasas y aceites, solidos totales suspendidos, a raíz de que el tanque séptico y la laguna de estabilización están totalmente colmatados. Se obtuvo una eficiencia de depuración de materia orgánica, aceites y grasa, sólidos suspendidos
28 totales y coliformes termotolerantes es muy baja esto debido a que no se realizó el mantenimiento periódico por parte del Área Técnica Municipal.
(Del Pezo Loiza, 2019) El objetivo del estudio fue diseñar un sistema fitodepurador mediante islas flotantes utilizando sustratos vegetales: Lemna minor y Salvinia auriculata. Al inicio del bioensayo se colocó por triplicado islas con las especies antes mencionadas, las especies combinadas y un control abiótico. El tiempo de retención fue de 8 días, realizando análisis microbiológicos al inicio del bioensayo se obtuvo una concentración de E. coli de 1,673x 107 ± 2,510x106 UFC/100 mL y de coliformes totales 3,773x107 ±2,557x106; al quinto día la concentración de E. coli se redujo en el control a 5,7x104 UFC/100 mL en Lemna minor, 1,10x105 UFC/100 mL en Salvinia auriculata y 3,46x104 UFC/100 mL en el tratamiento combinado; para los coliformes termotolerantes hubo una reducción a 2,46x105 UFC/100 mL en L. minor, 8,83x105 UFC/100 mL en S.
auriculata y 1,65x105 UFC/100 mL en el tratamiento combinado y finalmente al octavo día hubo una reducción de E. coli a 1,1x105 UFC/100 mL en el control a 3,10x102 UFC/100 mL en S. auriculata, 9x103 UFC/100 mL en L. minor y 3x103 UFC/100 mL en el tratamiento combinado y para Coliformes termotolerantes la concentración del control fue de 1,60x106 UFC/100 mL disminuyendo significativamente a 9,76x104 UFC/100 mL en L. minor, 4,33x104 UFC/100 mL en S. auriculata y en el combinado la concentración final fue de 6,03x104 UFC/100 mL. Se obtuvo un porcentaje de remoción de E. coli, de 99,99% para Salvinia auriculata, 99,95% para Lemna minor y de 99,98% para el tratamiento combinado. La efectividad de remoción de coliformes totales en los tratamientos fue Salvinia auriculata (99,89%), Lemna minor (99,74%) y en el tratamiento combinado (99,84%). Se recomienda implementar esta técnica en sistemas controlados para evitar eutrofización debido a la rápida reproducción de estas especies
1.2. MARCO TEÓRICO 1.2.1. Aguas residuales
El agua residual hace referencia a todo tipo de agua que haya sido afectada de forma negativa por la acción del ser humano, donde no son aptas para el consumo, en este sentido las aguas residuales son todas aquellas aguas que han
29 sido usadas en los entornos domésticos y urbanos, en las industrias y ganaderías, así como las aguas naturales que, por accidente o mala praxis, se hayan mezclado con las anteriores. De ese modo toda comunidad genera residuos tanto solidos como líquidos, esencialmente el agua del que se desprende que ha sido contaminada durante los diferentes usos para los cuales ha sido empleada, desde el punto de vista de las fuentes de generación, podemos definir el agua residual como la combinación de los residuos líquidos, o aguas portadoras de residuos, procedentes tanto de residencias como de instituciones públicas y establecimientos industriales y comerciales, a los que pueden agregarse, eventualmente, aguas subterráneas, superficiales y pluviales, así nos encontramos con que las aguas residuales contienen una gran cantidad de elementos contaminantes, ya sean sólidos o disueltos en la misma agua y respecto a la contaminación que pueden portar las aguas residuales hay que decir que se trata de una variedad casi tan amplia como las acciones que el ser humano puede realizar sobre el agua (Navarro y Soto, 2000).
A. Aguas residuales industriales
Son todas las aguas residuales vertidas desde locales utilizados para efectuar cualquier actividad comercial o industrial, que no sean aguas residuales domésticas ni aguas de escorrentía pluvial, ahí se incluye el agua que se desecha desde las fábricas, a las plantas de producción energética o cualquier otra actividad que esté destinada a la fabricación de productos consumibles o productos manufactureros. Este tipo de agua residual se caracteriza por contener un elevado nivel de componentes contaminantes del tipo de metales pesados, entre los que se encontrarían el plomo, el níquel, el cobre, el mercurio, o el cadmio entre muchos otros. Así mismo, también se trata de aguas residuales que contienen cantidades ingentes de elementos químicos artificiales de una variedad amplísima (Nachabe y Durlak, 1997).
B. Aguas residuales derivadas de la lluvia ácida
Es un tipo de agua residual que suele pasar inadvertida para la mayoría de las personas. A pesar de ello, constituye un verdadero ejemplo de agua residual generada por la acción que el ser humano tiene en la atmósfera. Este tipo de agua residual se produce por efecto de la lluvia al arrastrar los contaminantes
30 presentes en la atmósfera, especialmente en los núcleos urbanos, que llegan al suelo y lo contaminan. La mayor parte de esta agua, al tener lugar en las ciudades, terminan en el alcantarillado público, donde se unen con las aguas residuales domésticas o urbanas (Rodriguez Montellano y Sanchez Sejas, 2005).
C. Aguas residuales Domesticas
Las aguas residuales domésticas son producto de la utilización del líquido en las diferentes actividades del hogar, las cuales producen un nivel de contaminación al agua que puede manifestar la presencia de sólidos, desechos orgánicos, detergentes, jabones y grasas, lo que precisa de un proceso para su eliminación. Debido a la gran cantidad de usos que se puede hacer del agua en los hogares, el nivel de contaminación de esta suele requerir de procesos de purificación extensos para liberarla de residuos como heces, grasas o minerales nocivos (SEDAPAR, 2016).
Las aguas residuales domésticas, se definen como las aguas residuales procedentes de los hogares y los servicios, a menos que los servicios estén codificados en la CIIU. El crecimiento acelerado de las ciudades presenta una cantidad de retos, entre ellos, un marcado aumento en la generación de aguas residuales domésticas, sin embargo, este crecimiento también nos permite alejarnos de las antiguas prácticas de gestión hídrica y adoptar nuevos métodos innovadores como, por ejemplo, la utilización de aguas residuales tratadas y sus subproductos (Organización Mundial de la Salud y ONU-HABITAT, 2018).
1.2.2. Celda de Combustile Microbiana (CCM)
Las MFC es un dispositivo bioelectroquímico que convierte la energía química contenida en sustratos orgánicos en energía eléctrica por las actividades de los microbios. El uso de material orgánico como las aguas residuales en MFC lo convierte en un dispositivo ecológico que ofrece un beneficio dual de generación de bioelectricidad y gestión de residuos. Estructuralmente un combustible microbiano (Obileke et al., 2021)
En las celdas de combustible microbiano se ha descubierto que las bacterias implementan varias estrategias para usar electrodos como aceptores de
31 electrones. Se establece un contacto directo a través de complejos unidos a la membrana) o a través de nanocables conductores o las bacterias producen o utilizan componentes solubles como transportadores de electrones. (Obileke et al., 2021)
La configuración básica de todos los MFC es casi similar, como ánodo, cátodo, sustrato y electrolitos. El MFC ideal es una cámara doble que produce una generación de alta potencia en comparación con una cámara única. (Yaqoob et al., 2020)
Los materiales apropiados como el ánodo, el cátodo, la membrana, es uno de los desafíos clave para hacer de las CCMs una aplicación práctica. Los materiales específicos para cada compartimiento de la CCM pueden afectar, entre otros, a la densidad de potencia y a la eficiencia Coulómbica. Algunas líneas de investigación apuestan sus esfuerzos en reducir los costos de los materiales, sobre todo de los electrodos, mientras que otras investigaciones restan importancia al costo de la construcción y operación del dispositivo, con miras a generar altas densidades de potencia, que finalmente compensen el precio de la tecnología (López Hincapié, 2014).
Los elementos que conforman una celda de combustible microbiano son:
A. Sustrato
Las celdas de combustible microbiana son consideradas una tecnología sustentable para suplir las demandas crecientes de energía, especialmente cuando se emplean aguas residuales como sustratos (combustible), debido a que se genera electricidad paralela al tratamiento de las aguas, lo que podría disminuir los costos operaciones de las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (Pant et al., 2010).
El sustrato es importante para cualquier proceso biológico pues es su fuente de carbón y su fuente de energía. La eficiencia y la viabilidad económica de convertir los desechos orgánicos en bioenergía dependerán de las características y los componentes del material de desecho. El sustrato no sólo influenciará en la composición entera de la comunidad microbiana presente en el biofilm del ánodo, sino también en el desempeño de la CCM en términos de densidad de potencia y de eficiencia Coulómbica. (Pant et al., 2010).
32 Una gran variedad de sustratos puede ser empleados en las CCMs para generación de electricidad, variando desde compuestos puros a mezclas complejas. Es difícil luego comparar los desempeños de las CCMs con estos diferentes sustratos pues varían otros elementos clave tales como las condiciones de operación, las áreas superficiales, el tipo de electrodos y los microorganismos involucrados (Pant et al., 2010).
En muchos de los estudios sobre CCMs, el acetato ha sido el sustrato por excelencia para la generación de electricidad. Las complejidades de muchos otros tipos de aguas residuales las hacen más difíciles de ser utilizadas en las CCMs, comparadas con el acetato. Éste es un sustrato simple y es popularmente usado como fuente de carbono para promover el crecimiento de bacterias electro-activas. Además, el acetato es el producto final de varias rutas metabólicas para fuentes de carbono más complejas (Pant et al., 2010).
B. Electrodos
Los electrodos son componentes clave en la determinación del desempeño y costo de las CCM. El diseño de estos sigue siendo el mayor reto para convertir a las CCMs en una tecnología rentable y escalable. En la última década, una gran variedad de electrodos ha sido investigados y probados para las CCMs. Estos se pueden clasificar en dos principales grupos, bio- electrodos y electrodos químicos, dependiendo de si se emplean bacterias como catalizadores. (Vera, 2007).
La configuración de los electrodos es otro gran desafío para convertir a las CCMs en una tecnología de alto desempeño y escalable. Los electrodos más comunes pueden ser clasificados de acuerdo a sus configuraciones: el electrodo plano (bidimensional) y el electrodo tridimensional (Vera, 2007).
Anodo
El ánodo es un tipo de electrodo que puede ser de polaridad positiva o negativa según el tipo de célula. Sin embargo, el ánodo se define específicamente como el electrodo donde se produce la oxidación, es decir, la pérdida de electrones. Es uno de los componentes esenciales de las CCMs, junto con el cátodo y el electrolito. Es aquí donde las bacterias catalizan la oxidación del sustrato y liberan electrones como resultado de la respiración. La zona donde se ubica este electrodo, para efectos prácticos
33 llamada cámara (o zona) anódica, ha de estar libre de oxígeno para evitar o minimizar la inhibición de generación de energía eléctrica. Lo anterior, porque el oxígeno actuaría como aceptor final de electrones en la respiración microbiana antes que el electrodo, resultando en una exhibición de menor energía eléctrica generada. Entre los materiales comúnmente empleados como ánodos en las CCMs a escala de laboratorio, se encuentran los de metal y de carbón, que varían enormemente en configuración y área superficial. Estas variaciones permiten también encontrar diferentes rangos de costos de los materiales, conductividades y bio-compatibilidades. Cada día se adelantan investigaciones en la ingeniería de los electrodos empleados como ánodos; cómo incrementar su área superficial, disminución de costos, modificaciones de superficie, etc. Entre los ánodos metálicos más utilizados se encuentra la malla de acero inoxidable no corrosiva; aunque el material de electrodo más versátil sigue siendo el carbón, disponible como placas de grafito compacto, barras o gránulos, entre otros. Los materiales utilizados más simples son las placas y las barras de grafito ya que son relativamente baratos, fáciles de manejar y tienen un área de contacto definida. Para el caso de los ánodos de carbón, es común también encontrar electrodos de papel, fibra, tela, fieltro, entre otros. A pesar de que se empleen electrodos de carbón (fieltro, carbón activado, tela, etc.) con una alta área superficial, esto no significa que toda estará disponible para las bacterias. Con esto, se sabe que la relación del área superficial del ánodo no será proporcional a la energía eléctrica entregada por la CCM, sino que dependerá de muchos otros factores (Wang et al., 2018).
Catodo
Los electrones que llegan al cátodo en la mayoría de las CCMs a través de un circuito externo (de material conductor no corrosivo), se combinan con los protones, que se difunden desde el ánodo a través del separador (o membrana), y con el oxígeno presente en el área circundante al cátodo;
resultando en la formación de agua. Pueden emplearse oxidantes químicos diferentes al oxígeno, pero éste siempre será la opción más económica y viable debido a que no requiere regeneración y no representa ninguna toxicidad para la biomasa (Logan et al., 2006).
34 1.2.3. Tipos de Celdas de Combustible Microbiano
Los MFC se clasifican principalmente en función de su configuración, MFC de cámara única, cámara doble y MFC apilados.(Yaqoob et al., 2020)
A. Celda de Combustible Microbiana de doble cámara
Una celda de combustible microbiana de doble cámara degrada las aguas residuales para producir corriente eléctrica usando microbios. En este proceso, las varillas de grafito se utilizan como electrodos debido a su rentabilidad y abundante disponibilidad. El ánodo se coloca en condiciones anaeróbicas y el cátodo se coloca en condiciones aeróbicas para un suministro continuo de oxígeno. Se conectan internamente mediante un puente salino y externamente mediante un hilo de cobre. En la cámara del ánodo, tiene lugar la reacción de reducción donde la materia orgánica se descompone en iones H+ y e-. Los iones H+ se mueven del ánodo al cátodo por medio de un puente salino y los e- fluyen externamente a través del alambre de cobre, creando así una diferencia de potencial (V) produciendo corriente. En la cámara del cátodo, se lleva a cabo la reacción de oxidación donde el oxígeno se combina con los electrones y protones provenientes de la cámara del cátodo para formar agua. Se conecta una resistencia de cierto ohm para producir la generación de corriente requerida. (James et al., 2020)
Figura 1: Celda de Combustible microbiano de dos camaras
Fuente: (Revelo et al., 2013) B. Celda de Combustible Microbiana de cámara única
35 El MFC de cámara única (SMFC) tiene solo una cámara de ánodo, y no tiene ninguna cámara de cátodo definida, y funciona sin ningún tipo de membrana de intercambio de protones (PEM).(Yaqoob et al., 2020) El MFC de cámara única es un compartimiento único que consta del ánodo en una cámara de ánodo rectangular junto con el cátodo de aire. En este diseño, los protones se transfieren desde la solución del ánodo al cátodo de aire poroso. La esencia del MFC de una sola cámara es eliminar la necesidad de una cámara catódica, exponiendo así el cátodo directamente al aire. Los MFC de una sola cámara tienen muchas ventajas sobre los MFC de doble cámara, que incluyen un diseño simple y de bajo costo, aireación de la cámara catódica y producción eficiente de energía. La desventaja de este tipo de MFC está asociada con la retrodifusión de oxígeno del cátodo al ánodo con PEM (Obileke et al., 2021)
Figura 2: Celda de Combustible microbiana de una camara
Fuente: (Carmona & Solorza-Feria, 2008)
C. Celdas de Combustible Microbiana apilados
36 Los MFC apilados pueden estar presentes en serie y también en modo paralelo. En algunos estudios, se resumieron varios estudios basados en este tipo de configuraciones.(Yaqoob et al., 2020)
Figura 3: Celda de Combustible Microbiana apilados
Fuente: .(Yaqoob et al., 2020) 1.2.4. Microorganismos
Un microorganismo se define como un ser vivo que es tan pequeño que debe verse con un microscopio. Algunos microorganismos, como los virus, son tan pequeños que solo se pueden ver con microscopios electrónicos especiales.
Hay cinco categorías diferentes de microorganismos (bacterias, algas, protozoos, hongos y virus) que se explican con más detalle en Microorganismos misteriosos. Los microorganismos cubren casi todos los reinos de la vida. Las bacterias y algunas algas están en el reino Monera (a veces dividido en los reinos separados Eubacteria y Archaebacteria), las algas y los protozoos están en el reino Protista, y los hongos forman su propio reino.
Existe un debate en curso sobre cómo clasificar la mayoría de los microorganismos (por ejemplo, algunos científicos colocan algunos tipos de algas en el reino vegetal mientras que otros no). (Zion National Park, 2014) A. Escherichia Coli (E. coli)
37 Son bacterias gram-negativo y son un tipo de bacterias coliformes fecales que se encuentran comúnmente en los intestinos de los animales y los seres humanos. Los E. coli son tan pequeños que no se pueden ver sin un microscopio, sin embargo, su crecimiento puede verse como colonias en medios de agar (como gelatina) en condiciones especiales. La mayoría de las bacterias E. coli no causan enfermedad, pero si una persona se enferma de E.
coli, el sitio primario de infección es el tracto gastrointestinal y los síntomas pueden incluir náusea, vómito, diarrea y fiebre. Esta bacteria vive y crece de forma natural en el tracto gastrointestinal de los seres humanos y los animales, pero si entra en el lugar equivocado en el cuerpo, por ejemplo, los riñones o la sangre, puede causar enfermedad (Rivera, 2014).
Figura 4: Cepas de E. Coli
Fuente: (Del Pezo Loiza, 2019) B. E. Coli en el agua
La presencia de E. coli en el agua es una fuerte indicación de una reciente contaminación de aguas residuales o contaminación de residuos de animales.
Es importante tener en cuenta que E. coli y los residuos de animales/humanos pueden entrar en nuestra agua de muchas maneras diferentes. Por ejemplo, durante la lluvia y derretimiento de la nieve, E. coli se puede lavar en los ríos, arroyos, lagos o aguas subterráneas de la superficie de la tierra. Otras formas son la fauna silvestre, fosas sépticas defectuosas, actividades recreativas y prácticas locales de uso del suelo (por ejemplo, estiércol utilizado como fertilizante y ganado). Las fuentes de contaminación fecales de humanos y
