UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
JUDITH CAMARENA FLORES
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
Huancayo - Perú 2022
“INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE Aloe vera, TIEMPO DE COAGULACIÓN Y TIEMPO DE FLOCULACIÓN
EN LA DISMINUCIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO EN EL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL
DOMÉSTICA”
ii
ACTA DE SUSTENTACIÓN
iii
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
JUDITH CAMARENA FLORES
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
APROBADO POR EL JURADO SIGUIENTE:
PRESIDENTE: __________________________
Dr. Andrés. ROJAS QUINTO
SECRETARIO: ___________________________
Dr. Wilder E. EUFRASIO ARIAS
PRIMER MIEMBRO: ___________________________________
Dra. Gladys M. ÁVILA CARHUALLANQUI
SEGUNDO MIEMBRO: _________________________________
Dra. Juana M. MENDOZA SÁNCHEZ
TERCER MIEMBRO: _______________________________
Ms. Henrry S. OCHOA LEÓN
ASESORA DE TESIS: __________________________________
Dra. Gladys M. ÁVILA CARHUALLANQUI Huancayo,05 de marzo del 2022
“INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE Aloe vera, TIEMPO DE COAGULACIÓN Y TIEMPO DE FLOCULACIÓN
EN LA DISMINUCIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO EN EL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL
DOMÉSTICA”
iv
ASESORA:
Dra. GLADYS MARITZA AVILA CARHUALLANQUI
v
DEDICATORIA
Dedico sobre todo a Dios por concederme la vida y poder cumplir este reto en mi etapa profesional.
A mi madre por ser el principal pilar, por su apoyo incondicional
y ser el aliciente a lo largo de mi vida.
Judith
vi
AGRADECIMIENTO
Agradecer a Dios por permitirme tener vida, salud y poder realizar uno de mis propósitos.
A mi asesora Dra Gladys Maritza Ávila Carhuallanqui, por brindarme confianza y seguridad para guiar mis ideas, su aporte invaluable fue clave en el desarrollo de la investigación.
A mis maestros de la Escuela de Posgrado por su dedicada labor impartiendo sus conocimientos y experiencias en las aulas.
A todos mis grandes amigos y compañeros de estudios por compartir sus conocimientos y apoyo incondicional.
vii
ÍNDICE GENERAL
ACTA DE SUSTENTACIÓN ... ii
ASESORA: ... iv
DEDICATORIA ... v
AGRADECIMIENTO ... vi
ÍNDICE GENERAL ... vii
ÍNDICE DE TABLAS ... ix
ÍNDICE FIGURAS ... xi
RESUMEN ... xiii
ABSTRACT ... xiv
INTRODUCCIÓN ... 15
CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1. Antecedentes o marco referencial ... 16
1.2. Bases teóricas y conceptuales... 19
1.2.1. Agua ... 19
1.2.2. Agua residual ... 19
1.2.3. Monitoreo de aguas residuales ... 24
1.2.4. Normas legales ... 25
1.2.5. Tratamiento de agua ... 28
1.2.6. Clarificación del agua ... 30
1.2.7. Equipo de Prueba de Jarras ... 35
1.2.8. Aloe vera ... 36
1.2.9. Coagulantes ... 39
1.2.10. Aloe vera como coagulante ... 40
1.3. Definición de términos básicos ... 41
1.4. Hipótesis de la investigación ... 42
1.4.1. Hipótesis general ... 42
1.4.2. Hipótesis especifica ... 42
1.5. Operacionalización de variables ... 43
viii CAPÍTULO II
DISEÑO METODOLÓGICO
2.1. Tipo y nivel de investigación ... 44
2.2. Métodos de investigación ... 44
2.3. Diseño de investigación ... 45
2.4. Población y muestra ... 45
2.4.1. Población... 45
2.4.2. Muestra ... 45
2.4.3. Técnica de muestreo ... 46
2.5. Técnicas e instrumentos de recopilación de datos ... 46
2.5.1. Obtención de coagulante de Aloe vera ... 47
2.5.2. Tratamiento de las aguas residuales domésticas con el coagulante de Aloe vera ... 47
2.6. Técnica de procesamiento de datos ... 48
CAPÍTULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 3.1. Presentación, análisis e interpretación de los datos ... 49
3.2. Proceso de la prueba de hipótesis ... 51
3.3. Discusión de resultados ... 66
CONCLUSIONES ... 67
RECOMENDACIONES ... 68
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 69
ANEXOS ... 72
Anexo 1. Fotografías ... 73
ix
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Límites máximos permisibles (LMP) para los efluentes de PTAR ... 28
Tabla 2 Mecanismos de coagulación ... 32
Tabla 3 Componentes químicos de la Planta Aloe vera ... 38
Tabla 4 Operacionalización de variables ... 43
Tabla 5 Diseño Factorial ... 45
Tabla 6 Obtención del coagulante de aloe vera ... 49
Tabla 7 Concentración de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en la muestra de agua residual doméstica del colector de Pio Pata (sin tratamiento) ... 49
Tabla 8 Concentración de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en la muestra de agua residual doméstica del colector de Pio Pata (con tratamiento) ... 50
Tabla 9 Porcentaje de disminución de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en la muestra de agua residual doméstica del colector de Pio Pata (con tratamiento) ... 51
Tabla 10 Esquematización del diseño estadístico DCA con arreglo factorial de 3x2x2 con 2 repeticiones, aplicado a la investigación. ... 51
Tabla 11 Análisis de varianza para % de disminución de la demanda bioquímica de oxígeno ... 52
Tabla 12 Resultados de la evaluación estadística del % de disminución de la demanda bioquímica de oxígeno a diferentes concentraciones del coagulante Aloe vera (Prueba de comparación de Tukey 0,05). ... 53
Tabla 13 Resultados del % de disminución de la demanda bioquímica de oxígeno a diferentes tiempos de coagulación (Prueba de comparación de tukey 0,05) ... 55
Tabla 14 Resultados del % de disminución de la demanda bioquímica de oxígeno a diferentes tiempos de floculación (Prueba de comparación de Tukey 0,05) ... 56
Tabla 15 Resultados del % de disminución de la demanda bioquímica de oxígeno para la interacción concentración de coagulante Aloe vera y tiempo de coagulación (Prueba de comparación de Tukey 0,05) ... 58
x
Tabla 16 Resultados del % de disminución de la demanda bioquímica de oxígeno para la interacción de las diferentes concentraciones de coagulante Aloe vera y tiempo de floculación (Prueba de comparación de Tukey 0,05) ... 60 Tabla 17 Resultados del % de disminución de la demanda bioquímica de oxígeno para los tiempos de coagulación y tiempos de floculación (Prueba de comparación de Tukey 0.05) ... 62 Tabla 18 Resultados del % de disminución de la demanda bioquímica de oxígeno para la interacción de concentraciones de coagulante Aloe vera, tiempos de coagulación y tiempos de floculación (Prueba de comparación de Tukey 0,05) ... 65
xi
ÍNDICE FIGURAS
Figura 1 Clasificación de los sólidos presentes en aguas residuales de
concentración media ... 24
Figura 2 Etapas de la clarificación ... 30
Figura 3 Coagulación ... 32
Figura 4 Floculación ... 34
Figura 5 Especie Aloe vera ... 36
Figura 6 Media de prueba de comparación de medias, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para la concentración a diferentes concentraciones del coagulante Aloe vera. ... 54
Figura 7 Media de las pruebas de comparaciones de medias, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para los tiempos de coagulación. ... 55
Figura 8 Media de prueba de comparación de medias, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para los diferentes tiempos de floculación. ... 57
Figura 9 Media de las pruebas de comparación de medias, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para la interacción concentración de coagulante Aloe vera y tiempo de coagulación. ... 59
Figura 10 Media de las pruebas de comparación de medias, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para la interacción de concentraciones de coagulante Aloe vera y tiempo de floculación. 61 Figura 11 Media de las pruebas de comparación de medias, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para la interacción de tiempo de coagulación y tiempo de floculación. ... 63
Figura 12 Media de las pruebas de comparación de medias, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para la interacción concentraciones de coagulante Aloe vera, tiempos de coagulación y tiempos de floculación. ... 66
xii
NOMENCLATURA
BDO5 = Demanda bioquímica de oxígeno DQO = Demanda química de oxígeno
OD = Oxígeno disuelto
COT = Carbono orgánico total pH = Potencial de hidrógeno CE = Conductividad eléctrica
NTU = Unidad Nefelométrica de Turbidez COV = Compuestos orgánicos volátiles COP = Compuestos orgánicos persistentes PCB = Bifenilos policlorados
RPM = Revoluciones por minuto
xiii RESUMEN
El objetivo de la presente investigación es determinar la influencia de la concentración de sábila (Aloe vera), tiempo de coagulación y tiempo de floculación en la disminución de DBO en el tratamiento de agua residual doméstica. En el estudio se obtuvo el coagulante del aloe vera a partir de la planta, pasó por las siguientes etapas: Lavado, secado, molido y tamizado a malla 250um, este polvo fino de color marrón claro se utilizó como coagulante en el tratamiento de agua residual doméstica, la muestra de agua residual doméstica se obtuvo del colector de Pio Pata- El Tambo, en esta muestra se determinó la DBO5 obteniéndose una concentración de 345 ppm, para el tratamiento del agua residual doméstica, se hizo un diseño factorial 3x2x2, considerando las variables de estudio, la concentración del coagulante (2000, 3000 y 4000ppm), el tiempo de coagulación (2 y 4min) y el tiempo de floculación (15 y 20min) se utilizó el equipo de prueba de jarras para realizar la simulación del tratamiento. El mejor resultado se obtuvo a 2000 ppm de concentración del coagulante, 2 minutos de tiempo de coagulación y 15 minutos de tiempo de floculación, con este tratamiento la DBO5 fue en promedio 95 ppm, estadísticamente el tratamiento 1 tiene mayor porcentaje de reducción de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) con 72,5%.
Palabras clave: Aloe vera, Demanda Bioquímica de Oxígeno, coagulación, floculación.
xiv ABSTRACT
The objective of this research is to determine the influence of the concentration of aloe vera (Aloe vera), coagulation time and flocculation time in the reduction of BOD in the treatment of domestic wastewater. In this study, the aloe vera coagulant was obtained from the plant, it went through the following stages:
Washing, drying, grinding and sifting to a 250um mesh, this fine light brown powder was used as a coagulant in the treatment of residual water. domestic wastewater, the sample of domestic wastewater was obtained from the Pio Pata- El Tambo collector, in this sample the BOD5 was determined, obtaining a concentration of 345 ppm, for the treatment of domestic wastewater, a 3x2x2 factorial design was made, considering the study variables, the concentration of the coagulant (2000, 3000 and 4000ppm), the coagulation time (2 and 4min) and the flocculation time (15 and 20min) the jar test equipment was used to perform the simulation of the treatment. The best result was obtained at 2000 ppm of coagulant concentration, 2 minutes of coagulation time and 15 minutes of flocculation time, with this treatment the BOD5 was on average 95 ppm, statistically treatment 1 has a higher percentage of decrease in demand oxygen biochemistry with 72,5%.
Keywords: Aloe vera, Biochemical Oxygen Demand, coagulation, flocculation.
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INTRODUCCIÓN
Del estudio realizado por SUNASS (2008), se desprende que el 70% de las aguas residuales en el Perú carecen de tratamiento de aguas; del mismo modo las 143 plantas de tratamiento residual que existen en el ámbito nacional solo cumplen con la normatividad vigente el 14%.
Si realizamos la descarga de aguas residuales sin tratamiento previo a los cuerpos receptores como los ríos, lagos o el mar se convierten en la causa principal de contaminación de los ecosistemas existentes de las fuentes de agua superficiales y subterráneas, poniendo en peligro la sostenibilidad del recurso hídrico y la existencia humana.
Debido a los casos de contaminación justifican el uso de diferentes tipos de tratamientos convencionales entre ellos los métodos fisicoquímicos con el objetivo de recuperar las aguas. Es así que el sulfato de aluminio como coagulante guarda una relación directa con el alzhéimer.
Nuestro estudio invita a utilizar tecnología no convencional considerando el uso de recursos vegetales (Aloe vera) para la recuperación de agua, sin perjudicar la salud humana ni el medio ambiente.
La presente investigación tiene como principal objetivo determinar la influencia de la concentración de sábila (Aloe vera), tiempo de coagulación y tiempo de floculación en la disminución de DBO en el tratamiento de agua residual doméstica.
En el capítulo I se desarrolló el marco conceptual, en la cual se considera los antecedentes, bases conceptuales, así como hipótesis de la investigación y operacionalización de variables. En el capítulo II se consideró el diseño metodológico. El capítulo III refleja el análisis y discusión de resultados, finalizando con las conclusiones y recomendaciones.
16 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO
1.1. Antecedentes o marco referencial
Munavalli (2017) Este estudio se centró en desarrollar un sistema eficiente y rentable técnica de procesamiento mediante el uso de Aloe Vera gel para producir un coagulante natural para su uso en el tratamiento del agua potable, empleando gel de Aloe Vera como coagulante con alumbre para eliminación de turbidez. La planta de aloe vera contiene alrededor de 75 nutrientes y 200 compuestos activos que incluyen minerales, aminoácidos, enzimas y vitaminas. Para agua muy turbia, se encontró que la eficiencia de remoción de agua era del 76-81% y para agua poco turbia se encontró entre 60 y 65%. También se encontró que el Aloe Vera tiene menos efecto sobre otros parámetros de calidad del agua como pH, CE, dureza. El uso de gel de Aloe Vera con alumbre como coagulante puede ser una nueva alternativa para el tratamiento del agua potable.
Nogbode (2016) En este estudio se hizo la evaluación como floculante natural en la clarificación del agua y la identificación de los principales fitoquímicos. Se identificaron grupos fitoquímicos como taninos, saponinas, mucílagos, flavonoides, derivados del antraceno, derivados de quinonas y proteínas. Sin embargo, estaban desprovistos de alcaloides, compuestos reductores, glucósidos cardiotónicos en esta planta. Las pruebas de clarificación con esta planta para superficies muy turbias agua (turbidez:
185-200 NTU, sólidos en suspensión: 160-170, color evidente: 275-285 Pt Co), mostró una buena eliminación de turbidez y sólidos en suspensión. La eficiencia de remoción fue del 72% para la turbidez, del 91% para los
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sólidos en suspensión y del 15% para el color. El Aloe vera puede promoverse como un buen floculante natural en la clarificación de aguas superficiales.
Leea & Hanafiah (2015) En su trabajo de investigación Tratamiento primario de aguas residuales de tinte con ayuda de aloe vera coagulantes híbridos de aluminio y magnesio. Se prepararon coagulantes híbridos sulfato de aluminio-Aloe vera (ALAV) y sulfato de magnesio-Aloe vera (MGAV) aplicados al tratamiento de agua residual con colorante azul de metileno (MB) mediante proceso de coagulación-floculación. Los efectos de los factores independientes y su interacción en la eliminación del tinte (%) se determinaron utilizando dos factores independientes, es decir, el pH y la dosis, basados en un diseño factorial completo de 22. Todos los factores independientes y su interacción fueron significativos en la eliminación del tinte. La eliminación de tinte (%) para ALAV y MGAV luego se optimizó a través del diseño compuesto central. ALAV pudo eliminar del 50 al 55 % del tinte, mientras que MGAV pudo eliminar del 60 al 70 % del tinte. Por lo tanto, se demostró que MGAV es un coagulante híbrido más efectivo para eliminar el tinte.
Hurtado (2019) En su investigación “Polisacáridos del gel de aloe vera l.
como floculante en tratamiento de aguas” tiene como fin depurar aguas que tienen partículas sólidas suspendidas, empleando el gel de Aloe vera como coagulante de origen natural, contribuyendo de forma eficiente en el proceso de floculación. La variable estudiada fue la turbidez, cuyos resultados fueron medidos mediante el tubímetro. La turbidez residual se reduce en 67% en comparación con la turbidez original, además el pH según los estándares internacionales está en el rango de 6.5- 8.5. El autor concluyó que gracias a las propiedades coagulantes el gel de Aloe vera puede emplearse como depurador natural en el tratamiento de agua.
Morales (2019) en su trabajo de investigación “Determinación del poder coagulante de la sábila para la remoción de turbidez en el proceso de tratamiento de agua para consumo humano – Oxapampa – 2018” cuyo objetivo fue puntualizar la capacidad coagulante de la sábila para eliminar la turbidez durante el tratamiento de agua potable. El método experimental consistió en la manipulación controlada e intencional de la concentración
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de mucilago de sábila y turbidez inicial del agua, a escala de laboratorio preparando muestras a soluciones dosificadas con el coagulante natural, obteniéndose como resultado la disminución en el porcentaje de reducción de turbidez (variable dependiente en el estudio realizado). Concluyendo que la cantidad adecuada de mucílago de sábila es de 1,8 g/L, mediante la aplicación de las condiciones manipuladas en los ensayos, es posible eliminar el porcentaje crítico de turbidez, empleando solo dosis bajas de coagulantes naturales.
Diestra y Ramos (2019) en su trabajo de investigación “Efecto de la concentración de Aloe vera (Sábila) y tiempo de floculación en la remoción de Sólidos suspendidos y materia orgánica biodegradable de aguas residuales municipales sector el Cerrillo, Santiago de Chuco”. Cuyo objetivo general fue comprobar en la remoción de materia orgánica biodegradable y SST de aguas residuales municipales la influencia de la concentración del gel de Aloe vera (sábila) y el tiempo de floculación, el método experimental realizado a nivel de laboratorio fue empleando la prueba de jarras, donde se consideró concentraciones de Aloe vera y tiempo de floculación que difieren en dos niveles, para valores de 2000 ppm y 3000 ppm a 20 y 25 minutos respectivamente. El autor concluye que se logró un significativo porcentaje de reducción 88 ,49 % de turbidez; 87,64 % de remoción de sólidos suspendidos totales y 73,43
% de remoción de DBO5. Cabe resaltar que los porcentajes de reducción óptimos de remoción fueron obtenidos a 3000 ppm de concentración de Aloe vera y 25 min de tiempo de floculación.
López (2018) en su tesis “Evaluación del uso de la cactácea opuntia ficus-indica como coagulante natural para el tratamiento de aguas”
determinó la comparación de uso del cactus Opuntia ficus como coagulante natural respecto al coagulante químico sulfato de aluminio en la remoción de turbidez, variación de pH, color y conductividad de muestras de agua de tipo sintético, en el experimento se analizó muestras con valores diferentes de turbidez inicial de 20, 50, 100, 300 y 500 UNT. Para lo cual considero determinados parámetros tales como: dosis, concentración y pH, por cada nivel de turbidez, los experimentos fueron realizados en la prueba de jarras
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realizadas a nivel laboratorio donde se obtuvo resultados más eficientes al emplear el coagulante natural en muestras que presentan turbidez alta sin evidenciar alteraciones en el pH y conductividad en las muestras tratadas, por otro lado el sulfato de aluminio denota variación al incrementar los valores de conductividad y disminución de pH en las muestras tratadas, respecto a la eficiencia en la remoción de turbidez es sulfato de aluminio resulto más eficiente en comparación al empleo del coagulante natural.
1.2. Bases teóricas y conceptuales 1.2.1. Agua
El agua es considerada fuente de vida gracias a su función esencial en los procesos biológicos y a su trascendencia como factor importante de desarrollo. (Monforte y Cantú, 2009).
El color que adoptara el agua está en función de las sustancias químicas y la descomposición de materiales orgánicos con las que entra en contacto. (Arboleda, 1992)
1.2.1.1 Parámetros Fisicoquímicos del agua
“Las características físico-químico del agua tienen un impacto directo en las condiciones estéticas y la calidad del agua. Las características consideradas importantes son las siguientes: turbidez, color, olor y sabor, temperatura, sólidos solubles e insolubles y pH”. (López, 2018)
1.2.2. Agua residual
Las aguas residuales son aquellas cuyas propiedades originales y calidad han sido alteradas por la actividad antropogénica, necesitan ser tratadas, antes de ser reutilizadas o vertidas en las fuentes naturales o en sistemas de alcantarillado. (OEFA, 2015)
1.2.1.2 Clasificación de las aguas residuales
• Aguas residuales industriales: Son aquellas aguas que se generan en un proceso productivo, incluyendo a las provenientes de la actividad minera, agrícola, energética, agroindustrial entre otras. Las cantidades mínimas de
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algunos compuestos orgánicos e inorgánicos pueden contaminar grandes volúmenes del recurso hídrico.
(UNESCO, 2017)
• Agua residual doméstica: Son aquellas de origen residencial y comercial que tienen en su composición principalmente desechos fisiológicos, entre otros, resultantes de la actividad antropogénica antes de ser depositadas en las fuentes naturales deben ser tratadas.
“Los componentes típicos son los excrementos humanos (microorganismos patógenos), nutrientes y materia orgánica. También pueden contener contaminantes emergentes (por ejemplo, productos farmacéuticos, fármacos y descriptores endocrinos)”. (UNESCO, 2017)
• Aguas residuales municipales: Son aquellas aguas residuales de abastecimiento doméstico que pueden estar mezcladas con aguas de drenaje pluvial o aguas residuales de origen industrial previamente tratadas para ser admitidas en los sistemas de alcantarillado municipal.
“Los componentes típicos que presenta es que tiene una amplia gama de contaminantes, tales como microorganismos patógenos, nutrientes, materia orgánica, metales pesados y contaminantes emergentes”.
(UNESCO, 2017)
1.2.1.3 Parámetros que se mide en las aguas residuales
En una determinada muestra de agua residual el 75%
forman los SST y el 40 % de los sólidos filtrables son de naturaleza orgánica. Estos componentes provienen de los reinos animal, vegetal y de actividades antropogénicas en cuya composición existe composición orgánica tales como:
carbono, hidrógeno, oxígeno, así como nitrógeno para algunos casos. Los grupos esenciales de materia orgánica presentes en las aguas residuales son proteínas (40% a 60%), carbohidratos (25% a 50%) y grasas y aceites (10%).
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La urea es un componente importante de la orina, y es otro compuesto orgánico importante en las aguas residuales porque se descompone muy rápidamente, la urea rara vez se encuentra en las aguas residuales que no sea muy reciente. (Guillermo, 2011)
• Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO)
Según (Cenagua,1999) define la DBO como la cantidad de oxígeno disuelto, expresada en mg/L requerida por los microorganismos en el proceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica y llegar a estabilizar el material orgánico presente en una determinada muestra de agua.
El tiempo de incubación promedio es de 5 días, en este periodo la materia orgánica es consumido en el rango de 60 a 70 ciento, sin embargo, al aplicar 20 días de período de incubación la oxidación alcanza el porcentaje alto comprendido entre 95 a 99 a 99 por ciento.
La temperatura tiene un valor medio representativo para el proceso de incubación de 20ºC, dicha lectura es considerada para las corrientes de agua que circulan a baja velocidad en climas templados el cual es fácilmente duplicada en un incubador. (Cenagua, 1999)
• Demanda Química de Oxigeno (DQO)
La DQO es la dosis requerida de oxígeno disuelto para la degradación química de la materia orgánica presentes en aguas servidas o naturales, está expresada en mg/L. Las pruebas de la DQO determinan el contenido de materia orgánica presente tanto en las aguas potabilizadas, así como en las aguas residuales. Para determinar la DQO en una determinada muestra de agua se emplea un agente químico oxidante fuerte en un medio ácido, ello será útil en la obtención del equivalente de oxígeno en la materia orgánica.(Cenagua, 1999)
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catalizador
Materia orgânica (CaHbOc)+Cr2O7 -2 + H+ Cr+3 + CO2 + H2O
• Sólidos Suspendidos Totales (SST)
Los SST por lo general constituye el material residual microscópico presente en el recipiente luego del proceso de evaporación de la muestra. Pueden eliminarse empleando métodos como la decantación o filtración. Por lo general es posible encontrar en las aguas residuales SST en suspensión, partículas de solidos totales retenidos en el filtro y solidos totales disuelto.
“La fracción solida filtrable se compone de sólidos coloidales y disueltos. La fracción coloidal contiene partículas con un diámetro aproximado que oscila entre 10-3 y 1µm. los sólidos disueltos se componen de moléculas orgánicas, inorgánicas o iones que se encuentran presentes en solución acuosa. La fracción coloidal no se puede eliminarse por sedimentación.
Generalmente se requiere coagulación u oxidación biológica seguida de sedimentación para eliminar las partículas de la suspensión”. (Cenagua, 1999)
• Coliformes Fecales
Los coliformes fecales son consideradas bacterias que se encuentran en los intestinos de los seres humanos y especies endotérmicas, también se encuentran presentes en la naturaleza, en el suelo, las semillas y las plantas, son los llamados coliformes existentes en el medio ambiente. (Cenagua, 1999)
• Potencial Hidrógeno (pH)
El pH es un indicador medible de calidad para el agua potable y aguas residuales, el pH constituye la concentración de ion hidrógeno. Las aguas residuales con una concentración insuficiente de iones de hidrógeno
Calor
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dificultan su tratamiento mediante proceso biológico, y las aguas residuales de salida pueden cambiar la concentración de iones de hidrógeno en el agua natural si no se cambia antes del tratamiento. El pH óptimo en el tratamiento de agua residual fluctúa entre los valores de 6 y 8. (Cenagua, 1999)
• Oxígeno Disuelto (OD)
La presencia de OD en el agua permite el desarrollo y existencia de la vida animal y vegetal, según estudios realizados los niveles de OD en el agua tiene una estrecha relación con las variaciones físicas, químicas y bioquímicas que ocurren en el agua.
Las aguas residuales por lo general carecen de oxígeno disuelto en el agua debido a la descomposición aeróbica de materia orgánica e inorgánica. (Cenagua, 1999)
• Temperatura
El agua residual generalmente presenta temperatura alta en comparación con el agua potabilizada, ello se debe a la combinación de agua de diferentes usos domésticos e industriales.
En el proceso de la degradación biológica de los desechos orgánicos uno de los parámetros a tener en cuenta es la temperatura lo que permitirá el desarrollo de la actividad bacteriana, el rango se sitúa entre los 25 y los 35°C. (Cenagua, 1999)
• Carbono orgánico total (COT)
El COT se encuentra presente en muestras que tienen concentración baja de materia orgánica, sin embargo, podemos encontrar porcentajes de carbono de naturaleza orgánica presente en algunas muestras. La prueba se lleva a cabo mediante muestreo en un horno, una cámara de combustión, a alta temperatura y es necesario tener una atmósfera químicamente oxidante.
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“En presencia de un catalizador, el carbono orgánico se oxida a anhídrido carbónico el cual es medido mediante fotometría de infrarrojos”. (Torres, 2020)
Figura 1
Clasificación de los sólidos presentes en aguas residuales de concentración media
Fuente: (Kiely, 1999)
1.2.3. Monitoreo de aguas residuales 1.2.3.1. Toma de muestra
• Toma de muestra simple: Consiste en realizar la toma de muestra una sola vez, en un momento concreto, aplicado en un vertido discontinuo, también puede ser aplicado en una descarga ocasional del fluido y para un control de procesos de un sistema. (Torres, 2020)
• Toma de muestra compuesta: Es un conjunto de una serie de muestras individuales recolectadas durante un periodo de tiempo o evento aplicadas a condiciones medias del vertido, permitiendo obtener una muestra representativa del flujo. (Torres, 2020)
• Toma de muestra integrada: Es la mezcla de muestras puntuales, tomadas en diferentes puntos en un tiempo específico o con un menor intervalo de tiempo entre toma
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de muestras, es el tipo de muestreo aplicado en los efluentes de ríos con la ayuda de un equipo especial para realizar la toma a una determinada profundidad teniendo cuidado de mezclar con capas de agua superficiales.
1.2.3.2. Ensayos in situ
• Previo a la recolección de la muestra deberá identificar el punto de muestreo, teniendo en cuenta su localización geográfica y seguridad de acceso.
• Para el punto de muestreo de aguas superficiales cuyo recorrido sea por tuberías, es recomendable dejar un intervalo de tiempo antes de colocar el recipiente de recolección de la muestra.
• Emplear el recipiente adecuado de acuerdo a los parámetros a evaluar, el volumen necesario y el tiempo que debe mantener la muestra.
• Colocar el envase de recolección contra el sentido de salida del efluente.
• Una vez recolectada la muestra o muestras con el volumen necesario, realizar el rotulado correspondiente para evitar problemas de almacenamiento de muestra.
(Torres, 2020)
1.2.4. Normas legales
La Convención sobre el Derecho de los Usos de los Cursos de Agua Internacionales para Fines Distintos de la Navegación (ONU, 1997, entró en vigor en 2014) incita a los países a adoptar medidas adecuadas para evitar causar “daños significativos”.
“El Convenio sobre la Protección y Utilización de los Cursos de Agua Transfronterizos y de los Lagos Internacionales”, fue convocado como por la Comisión Económica para Europa (CEPE, 1992) en el año 1996 con la participación activa de los países Miembros de la ONU de todo el mundo, acentuándose desde el año 2013. La
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Convención del Agua tiene por finalidad persuadir entre los diferentes países del mundo los principios de sostenibilidad, la prevención de la contaminación y el pago de quien contamina (artículo 2) e incluye las obligaciones para controlar emisiones contaminantes y autorizar la descarga de aguas residuales.
• Ley General del Ambiente Nº 28611
Artículo 1°: Derechos y obligaciones básicas.
“Toda persona tiene el derecho inalienable a vivir en un medio ambiente sano, equilibrado y apropiado para desarrollar plenamente la vida, y tiene la obligación de contribuir a la gestión ambiental eficaz y la protección del medio ambiente y sus componentes, especialmente para garantizar la salud individual y colectiva, la protección de la biodiversidad, uso sustentable de los recursos naturales y el desarrollo sustentable del país”.
• Ley de recursos hídricos Ley Nº 29338
Artículo 1º: “El agua es un recurso natural renovable, esencial para la vida, vulnerable y estratégico para el desarrollo sostenible, el mantenimiento de los sistemas naturales y los ciclos que lo sustentan, como seguridad nacional”.
Artículo 2º: Dominio y uso público sobre el agua.
“El agua constituye patrimonio de la Nación. El dominio sobre ella es inalienable e inviolable, es decir uso público exclusivo y su gestión solo puede otorgarse y realizarse en armonía con el interés común, la protección del medio ambiente y los intereses de estado. No hay propiedad privada sobre el agua”.
• Decreto Supremo N°031-2010-SA – Reglamento de la calidad del agua para consumo humano
Título IX Requisitos de calidad del agua para consumo humano.
Artículo 59°: “Agua apta para el consumo humano Es toda agua inocua para la salud que cumple los requisitos de calidad establecidos en el presente Reglamento”.
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Artículo 61°: Parámetros de calidad sensorial.
“El noventa por ciento (90%) de las muestras tomadas de la red de distribución durante cada monitoreo se establecen en el plan de control, correspondientes a los parámetros químicos que afectan la calidad estética y sabor del agua para consumo humano, sin exceder la concentración o valor indicado. en el Apéndice II del presente Reglamento. Del diez por ciento restantes (10%), los proveedores evaluarán la causa raíz de la no conformidad y tomarán medidas para cumplir con los valores establecidos en este Reglamento”.
Artículo 63°: “Parámetros de control obligatorio (PCO) para todos los proveedores de agua, los siguientes: Coliformes totales, coliformes termotolerantes, color, turbiedad, residual de desinfectante y pH”.
• Decreto Supremo N° 003-2010-MINAN. Aprueba Límites Máximos Permisibles (LMP) para los efluentes de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas o Municipales.
28 Tabla 1
Límites máximos permisibles (LMP) para los efluentes de PTAR
PARÁMETRO UNIDAD LMP DE EFLUENTES
PARA VERTIDOS A CUERPOS DE AGUA
Aceites y grasas mg/L 20
Coliformes Termotolerantes NMP/100mL 10 000 Demanda Bioquímica de
Oxígeno
mg/L 100
Demanda Química de Oxígeno mg/L 200
Ph unidad 6,7-8,5
Solidos Totales en Suspensión mL/L 150
Temperatura °C <35
Fuente: Decreto supremo N° 003-2010-MINAN
1.2.5. Tratamiento de agua
El tratamiento de agua es un conjunto de procedimientos estandarizados aplicado a las aguas residuales con la finalidad de proteger la salud pública y el medio ambiente. Previo a las etapas de tratamiento, el agua residual debe ser analizado de forma puntual respecto a su composición, factores químicos y biológicos.
En nuestro país contamos con plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR)ubicadas en las diversas regiones, cuyo fin es tratar la contaminación química y bacteriológica del agua que pueda ser perjudicial para los seres humanos, la flora y la fauna, obteniendo el recurso hídrico libre de efectos nocivos para la salud y el medio ambiente. La eficiencia de porcentaje de eliminación de la materia orgánica y microorganismos patógenos es 90 %en estas unidades de tratamiento de aguas residuales. (Kleim, 2003)
También es importante resaltar que después de aplicar el tratamiento en la PTAR las aguas servidas contienen cantidades menores a 1000 coliformes totales por cada 100mL y con una DBO inferior a 50mg/L, valores aceptables de acuerdo a los estándares establecidos. (Guillermo, 2011)
1.2.5.1. Tipos de tratamiento
• Pre tratamiento
29
Esta etapa considera dos situaciones importantes:
• El caudal de agua que ingresa a la planta debe ser medido y controlado. Se debe garantizar el ingreso de un flujo uniforme en el sistema.
• Debe extraer los sólidos suspendidos de gran tamaño y la arena, en algunas situaciones también se encuentran presentes grasa.
Dentro del pre tratamiento también se realiza la pre aireación donde los compuestos orgánicos volátiles (COV) existentes en el agua servida debe ser eliminados, los COV tiene presentan olor fétido e incrementan el contenido de oxígeno en el agua.
Gracias a la aplicación de la pre aireación se puede tener la disminución de los olores fétidos en las etapas subsiguientes. (Kleim, 2003)
• Tratamiento primario
Esta etapa es aplicada en los estanques de sedimentación primaria, también denominados clarificadores niveles primarios, propiamente su diseño permite la eliminación de partículas con índices de sedimentación comprendidas en el rango de 0.3 a 0,7 mm/s, a un tiempo corto de operación de una a dos horas.
El fin especifico en esta etapa es la eliminación de solidos suspendidos a través de un procedimiento de sedimentación. (Kleim, 2003)
• Tratamiento secundario
Se caracteriza por ser una etapa de tratamiento biológico monitoreado en el que los microorganismos intervienen y se reproducen en un tanque de reacción o tanque de aireación, complementando con microorganismos que crecen a niveles bajos en el clarificador secundario. En este proceso lo que resaltan son las bacterias que tiene como alimento principal a los sólidos en suspensión y los estados coloidales, producto de ello liberan anhídrido
30
carbónico y agua cuando sucede la descomposición de la materia orgánica. Al finalizar esta etapa tenemos como resultado agua clarificada y producción de lodos. (Kleim, 2003)
• Tratamiento terciario
En esta etapa se elimina remanentes de los contaminantes presentes en el agua como los patógenos, nitrógeno o fosfatos que provienen del uso de detergentes domésticos e industriales, a ello se suma los residuales emergentes, de esta forma obtenemos agua que puede ser reutilizada e incluso puede ser vertida al medio natural. (Kleim, 2003)
1.2.6. Clarificación del agua
Es un proceso que comprende las etapas de: coagulación, floculación, separación de partículas (sedimentación y filtración), donde se eliminan las sustancias disueltas y en suspensión también comprende la disminución de la flora microbiana y la modificación de ciertas características fisicoquímicas. (Urrea,1998)
Figura 2
Etapas de la clarificación
Fuente: (Urrea,1998)
31 1.2.6.1. Coloides
Según (Hemholtz,1879), define a los coloides como:
“suspensiones coloidales” de naturaleza sólida en forma de partículas de los sistemas físico-químicos estables constituidos por una fase continua generalmente fluida y en menor porción la fase dispersa.
Estas partículas miden aproximadamente 1 a 1000 milímetros de diámetro y su comportamiento depende de su origen y naturaleza. Tienen una carga superficial, generalmente “negativa”, que les impide acercarse y hace que permanezcan estables y suspendidos en el líquido que los rodea. Por este motivo, para que sean removidas es preciso la adición de una sustancia denominada
“coagulante”. (Vargas et al., 2004)
“La estabilidad del coloide se ve afectada por los electrolitos del coagulante que cambian la carga superficial del coloide, de modo que los agregados más grandes se consolidan y precipitan bajo la acción de la gravedad, de esta forma se eliminan la turbidez y el color, así mismo se pueden eliminar algas, bacterias, virus y organismos patógenos; así como, de sustancias productoras de sabor y olor”. (Vargas et al., 2004)
Los tipos de coloides de acuerdo a su comportamiento en el agua pueden ser hidrófobos cuando repelen el agua, aunque estos no repelen completamente al agua; e hidrófilos cuando presentan afinidad con el agua. En “los sistemas coloidales hidrófobos, las propiedades de la superficie de las partículas son muy importantes”. (Vargas et al., 2004)
1.2.6.2. Coagulación, características y factores
Es un proceso donde las partículas coloidales se desestabilizan debido a la neutralización de las fuerzas que las separan, este fenómeno suscita debido a la adición de
32
los coagulantes químicos y aplicación de la fuerza de mezclado. (Andia Y. , 2000)
Según Arboleda (1992) menciona que la coagulación inicia tan pronto como se agrega el coagulante al agua y dura solo unas pocas fracciones de segundo. Específicamente consiste en una serie de reacciones físicas y químicas entre el coagulante, la superficie de partículas, la alcalinidad del agua y la mezcla acuosa. (Arboleda,1992)
Figura 3 Coagulación
Fuente: (Andía, 2000) Tabla 2
Mecanismos de coagulación
Clase Modo Tipo de adsorción
I. Adsorción-
desestabilización
Neutralización de la carga Comprensión del doble lecho
Adsorción electrostática Adsorción química II. Puente químico Unión de partículas por
medio de cadenas poliméricas
Adsorción química
III. Incorporación Producción de precipitado químico
No hay Fuente: Arboleda (1992)
• Factores que influyen en la coagulación
33
Tamaño de las partículas: las partículas deben tener menos de una micra de diámetro. Las partículas de entre uno y cinco micrómetros de diámetro sirven como núcleo del floculo, y las partículas de más de cinco micrómetros de diámetro son demasiado grandes para ser incorporadas al flóculo. (Díaz & Tafur, 2020)
Temperatura: La reacción es más lenta con temperaturas frías, la temperatura es un factor determinante en la formación de coágulos. (Díaz & Tafur, 2020)
Concentración de iones H+ o pH: El factor pH es determinante para la formación del floculo con una misma dosis de “coagulante”. (Díaz & Tafur, 2020)
Relación cantidad-tiempo: La cantidad de coagulante es inversamente proporcional al tiempo de formación de los flóculos (Díaz & Tafur, 2020)
1.2.1.4 Floculación, características, factores
La floculación es el fenómeno que sucede posterior al proceso de coagulación, donde debemos agitar la masa coagulada fomentando el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados, logrando el aumento de tamaño y peso necesarios para lograr una sedimentación adecuada.
(Hernandez,2001)
En el proceso de floculación el objetivo es obtener un flóculo de mayor peso y cohesión posible, es así que debemos tener presente situaciones que permitan lograr la formación de un flóculo adecuado para su sedimentación. En general el proceso de coagulación debe ser perfecta en los tiempos y condiciones, tratar de obtener la mayor concentración posible de coagulante, aplicar la agitación lenta y homogénea con el único propósito de incrementar de que las partículas coloidales se encuentren en un flóculo, también puede ser posible la adición de productos auxiliares llamados floculantes. (Arboleda, 1992)
34
“Los floculantes pueden ser de naturaleza mineral, orgánica natural y orgánico de síntesis, tales como se describen a continuación.” (Morales, 2019)
• Floculantes minerales: Tienen en su composición sílice activa, obtenido a partir de silicato sódico (Na2SiO3), es altamente efectivo como auxiliar del tratamiento con sulfato de alúmina (alumbre).
• Floculantes orgánicos naturales: Son aquellos polímeros obtenidos a partir de ciertos compuestos vegetales, así tenemos:
✓ Almidones y sus derivados.
✓ Polissacáridos de compuestos celulósicos, entre otros.
• Floculantes orgánicos de síntesis: En su mayoría son moléculas de gran tamaño, obtenidas mediante la combinación de monómeros sintéticos con pesos moleculares altos de 106 y 107 g/mol, se clasifican según el carácter iónico del polímero: Aniónicos (generalmente copolímeros de la acrilamida y del ácido acrílico), Neutros o no iónicos (poliacrilamidas) y Catiónicos. (Morales, 2019) Figura 4
Floculación
Fuente: (Andía, 2000) 1.2.6.3. Sedimentación
La sedimentación es un proceso natural donde las partículas al unirse aumentan su masa y velocidad por acción de la
35
gravedad la partícula de mayor peso que se encuentra en suspensión será removida.(Díaz & Tafur, 2020)
1.2.7. Equipo de Prueba de Jarras
La prueba de jarras es un método empleado en los procesos de clarificación de agua residual en escala de laboratorio, es así que interviene en las etapas de coagulación, floculación y sedimentación, los “flóculos coloidales” obtenidos mediante la dosificación de coagulante, tienen la propiedad de ser sedimentados fácilmente, obteniendo como resultado final agua clarificada y con parámetros dentro de los LMP. Es de suma importancia dosificar cantidades del coagulante en rangos de 0,5ml por 1 L de agua residual para evitar la saturación de la muestra, para los tratamientos se sugiere un muestreo aproximado de 20 L de agua a tratar. (Andia Y. , 2000)
El test de jarras se realiza de la siguiente manera:
Previamente medir la temperatura del agua cruda, el color, la turbiedad, el pH y la alcalinidad del agua cruda. Debemos tener en cuenta el pH óptimo antes de añadir el coagulante a emplear
• Colocar 1 L de la muestra a tratar en cada beakers.
• Dosificar el coagulante a analizar, estableciendo la dosis correcta para cada jarra, los volúmenes deben variar en 0.5ml por 1 L de agua.
• Una vez realizada la adición del coagulante, el equipo de jarras debe estar programado a 100 rpm, para una mezcla rápida por un tiempo aproximado de 1 minuto (tiempo de corta duración).
36
• Posterior a la mezcla rápida se realiza la mezcla lenta de 15 minutos aproximados generalmente a una intensidad de programación del equipo de 60 rpm.
• Finalmente se deja reposar la mezcla por un tiempo aproximado de 10 minutos.
• Durante el tiempo de reposo es posible observar el volumen de lodo generado.
• Extraer la muestra del obtenida en el proceso de clarificación para los análisis correspondientes. (Morales, 2019)
1.2.8. Aloe vera
El Aloe vera mejor conocida por los latinos como “sábila”, es una herbácea muy resistente, de color gris verdoso que es de apariencia rosada y tiene una serie de picos en las puntas de cada hoja, además de ser color gris verdoso, alcanza una altura de 61 centímetros cuando alcanza la madurez, varia de 3 a 5 años, con un peso de 3 kg por planta e inflorescencias de unos 80 cm. (García M. S., 2006)
Figura 5
Especie Aloe vera
37 1.2.8.1. Propiedades
Se atribuyen las propiedades del Aloe vera a la presencia de diversos azúcares contenidos en el gel de las hojas, entre las que destacan: “la fructosa, el aloérido, la celulosa, los glucomananos neutros, los galactogalacturonanos, los glucogalactomananos, la arabinosa, principalmente, y también a la presencia de compuestos fenólicos como la aloína, el aloe emodina, la 4-hidroxialoína, el 5-hidroxialoína, los alanósidos A y B, las aloesinas A y B, las aloeresinas A y B y el 8-C-glucosil-7-o-metil-(s)aloesil”. La mayor parte de las propiedades son producto de la sinergia de varios de esos componentes fenólicos y carbohidratos. (Bonilla & Jiménez, 2016)
1.2.8.2. Clasificación Taxonómica Reino Vegetal
División Embriophyta Siphonogama Subdivisión Angiospermae
Clase Monocotiledoneae Orden Liliales
Familia Lilaceae Subfamilia Asfodeloideae Tribu Aloineae Género Aloe Especie vera L.
38 1.2.8.3. Composición
La Tabla 3 detalla la composición de la planta Aloe vera Tabla 3
Componentes químicos de la Planta Aloe vera
Composición Compuestos
Antraquinonas Ácido aloético, antranol, ácido cinámico, barbaloina, ácido
crisofánico, emodina, aloe-emodin, ester de ácido cinámico, aloína, isobarbaloína, antraceno, resistanol.
Vitaminas Ácido fólico, vitamina B1, colina, vitamina B2, vitamina C, vitamina B3, vitamina E, vitamina B6, betacaroteno.
Minerales Calcio, magnesio, potasio, zinc, sodio, cobre, hierro, manganeso, fosforo,
cromo.
Carbohidratos Celulosa, galactosa, glucosa, xilosa, manosa, arabinosa, aldopentosa, glucomanosa, fructuosa, acemanano, sustancias pepticas, ´ L-ramnosa.
Enzimas Amilasa, ciclooxidasa,
carboxipeptidasa, lipasa, bradikinasa, catalasa, oxidasa, fosfatasa alcalina, ciclooxigenasa, superoxido dismutasa.
Lípidos y compuestos orgánicos Esteroides (campestrol, colesterol, β- sitoesterol), ácido salicílico, sorbato de potasio, triglicéridos, lignina, ácido úrico, saponinas, giberelina, triterpenos.
Aminoácidos Alanina, ácido aspártico, arginina, ácido glutámico, glicina, histidina, isoleucina, lisina, metionina,
fenilalanina, prolina, tirosina, treonina, valina.
Fuente: Bonilla y Jiménez (2016)
1.2.8.4. Usos
• Medicinales
Esta planta es utilizada desde tiempos antiguos, una de las culturas fue la de los egipcios, gracias a sus bondades medicinales, su uso cada año se acrecienta sobretodo en la medicina por sus poderes curativos. (García M. S., 2006)
39
“El gel de aloe vera tiene muchas propiedades curativas que se han utilizado con fines medicinales para el tratamiento interno y externo, a continuación, se muestra una lista de principales enfermedades y afecciones que esta planta ayuda a controlar y curar:
Acné, ulceras (pépticas y estomacales), alta presión sanguínea, dolor de cabeza, pie de atleta, insomnio, inflamaciones, constipación, colitis, disentería, problemas digestivos, quemaduras por radiación (rayos x), estimula la circulación de la sangre, infecciones en la piel, anemia.
Reumatismo, coagulante, astringente. congestión crónica de la nariz. inhibidor del dolor muscular, estimulador del crecimiento, repelente de insectos, quemaduras por radiaciones atómicas, dolor de huesos, erupción cutánea
“.(García M. S., 2006)
• Farmacéutico
El Aloe vera empleado en la medicina tiene un color marrón oscuro similar al de la resina. El jugo para la preparación de esta sustancia se obtiene de las células pericílicas de las hojas. Los principales componentes del extracto medicinal de Aloe Vera son: resina, aloína, antraquinona, antraglucósidos; que también son conocidos por sus propiedades laxantes. (García M. S., 2006)
• Cosmético
El Aloe vera empleada como materia prima en la industria cosmética cada año va en aumento, debido al aporte nutritivo que brinda a la piel (epidermis, dermis e hipodermis) y al cabello, ello se atribuye a sus propiedades astringentes, regeneradoras y tonificadoras. (García M. S., 2006)
1.2.9. Coagulantes
Los coagulantes pueden ser de origen orgánica e inorgánico, cuya función principal es desestabilizar la materia suspendida y disuelta
40
para después formar el coagulo o también llamado floculo primario.
Entre los tipos de coagulantes utilizados en el tratamiento del agua, se tienen los siguientes:
• Coagulantes sintéticos
Empleados para tratar aguas industriales y domésticas, siendo los más utilizados: El sulfato de aluminio (Alumbre), sulfato ferroso sulfato férrico y cloruro férrico. (Andia Y. , 2000)
En la actualidad, el uso de polímeros empleados en los procesos de coagulación - floculación en las PTARS es de uso continuo.
Los polímeros de aluminio son de uso común para el tratamiento en estas plantas. (López, 2018)
• Coagulantes naturales
Los coagulantes naturales se caracterizan por ser solubles en agua, derivadas de materiales de origen vegetal o animal, que desempeñan la misma función que los “coagulantes sintéticos”, agrupando partículas en suspensión contenidas en el agua residual y formando las condiciones para que sedimenten y reduzcan su turbidez inicial. A estos coagulantes se les atribuye propiedades antibacterianas, eliminando o reduciendo el contenido de microorganismos patógenos durante su mecanismo de acción. Al poseer origen natural causa menos efectos adversos a la salud del ser humano, es así que los lodos generados son biodegradables, permitiéndose su uso en la agricultura.
(Arboleda, 1992)
“La importancia en la selección del coagulante y la dosis óptima se debe a que determinará la buena o mala calidad del agua clarificada y el buen o mal funcionamiento de los procesos posteriores en el tratamiento del agua”. (Andia Y. , 2000)
1.2.10. Aloe vera como coagulante
Según estudios realizados se determinó que el Aloe vera exhibe gran capacidad para la remoción de turbidez y reducción de la DBO, ello debido a la presencia de polímeros naturales denominado
“polisacáridos”, encargadas de atraer partículas coloidales y facilitar
41
la reducción de contaminantes presentes en el agua residual.
(Chavesta,2020)
1.3. Definición de términos básicos
• Coagulación
Proceso de desestabilización de las partículas coloidales por el contacto de un coagulante en contacto con la solución tratada, que neutraliza las cargas que unen las partículas.
• Sólidos Suspendidos
Partículas sólidas pequeñas que se encuentran en suspensión y pueden ser eliminados mediante el proceso de sedimentación.
(Morales, 2019)
• Floculación
Proceso de agitación de la masa coagulada que permite el crecimiento y aglomeración de los flóculos, técnica aplicada para incrementar el tamaño y peso de los flóculos. (Morales, 2019)
• Turbidez
Característica presente en aguas residuales, debido a la presencia de partículas en suspensión.
• Sedimentación
Es un proceso donde la fase sólida es separada de la fase líquida por acción de la gravedad, donde las partículas en suspensión más pesadas que el agua son removidas.
• pH
El potencial de hidrógeno es la medida de la acidez o alcalinidad que dependen de la cantidad de iones de hidrogeno de una solución acuosa. (Tarrillo & Tenorio, 2019)
• Límite Máximo Permisible (LMP)
Estándar de medición aplicados a los “efluentes o emisiones”, si los valores sobrepasan los límites permitidos pueden causar daños a la salud y al equilibrio del ecosistema.
42
• Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR)
Sistema donde se realiza el tratamiento de aguas residuales domésticas, municipales e industriales.
• Flóculos
Es el conjunto de partículas suspendidas, son generadas en base a un
“sistema coloidal disperso”.
• Agua Residual
Son aquellas aguas cuyas propiedades físico-químicas fueron alteradas debido a las actividades antropogénicas. (MINAM, 2012)
• Tiempo de agitación
Acción mecánica de movimiento giratorio aplicado a un fluido líquido.
(SEDAPAL, 2000)
1.4. Hipótesis de la investigación 1.4.1. Hipótesis general
La concentración de Aloe vera, tiempo de coagulación y tiempo de floculación influye en la disminución de DBO en el tratamiento de agua residual doméstica.
1.4.2. Hipótesis especifica
• La demanda bioquímica de oxígeno en la muestra inicial de agua residual doméstica es mayor que lo establecido en los LMP para PTAR.
• La concentración de sábila (Aloe vera) es 3000ppm, el tiempo de coagulación es 4min y tiempo de floculación es 20min en el tratamiento de agua residual de origen doméstico.
• El porcentaje de remoción de la DBO es mayor a 50%.
43 1.5. Operacionalización de variables Tabla 4
Operacionalización de variables
Fuente: Elaboración propia
Variable Definición conceptual
Definición
operacional Dimensión Indicador Concentración
de Aloe vera
Masa de Aloe vera por el volumen para tratamiento de agua residual.
Unidades físicas
Masa de Aloe vera por el volumen de
solución
ppm
Tiempo de coagulación
Tiempo de
desestabilización de las partículas.
Cronómetro Tiempo min
Tiempo de floculación
Tiempo de la formación de flóculos.
Cronómetro Tiempo min
Remoción de DBO
Porcentaje de disminución de materia orgánica biodegradable
Fórmula matemática
Disminución de materia
orgánica biodegradable
Porcentaje (%)
44 CAPÍTULO II
DISEÑO METODOLÓGICO
2.1. Tipo y nivel de investigación
El tipo de investigación según la finalidad perseguida es aplicado, que de acuerdo a Vargas Cordero (2009, p. 159) también “recibe el nombre de investigación práctica o empírica, que se caracteriza porque busca la aplicación o utilización de los conocimientos adquiridos, a la vez que se adquieren otros, después de implementar y sistematizar la práctica basada en investigación. El uso del conocimiento y los resultados de investigación que da como resultado una forma rigurosa, organizada y sistemática de conocer la realidad”.
Según el enfoque es cuantitativo, basado en Hernández Sampieri, Fernández Collado, y Baptista Lucio (2014, p. 4), mencionan que “es un conjunto de procesos secuenciales y probatorios.
El nivel de investigación en función a sus alcances es explicativo, que según Hernández Sampieri, Fernández Collado, y Baptista Lucio (2014, p.
95), son estudios que “van más allá de la descripción de conceptos o fenómenos o del establecimiento de relaciones entre conceptos”.
2.2. Métodos de investigación
El método general es científico y específicamente será investigación experimental, basados en Hernández Sampieri, Fernández Collado, y Baptista Lucio (2014, p. 129), es el “estudio en el que se manipulan intencionalmente una o más variables independientes, para analizar las
45
consecuencias que la manipulación tiene sobre una o más variables dependientes, dentro de una situación de control para el investigador.
2.3. Diseño de investigación
El diseño general de la investigación es de experimentos “puros”, que según Hernández Sampieri, Fernández Collado, y Baptista Lucio (2014, p.
141), Estos diseños llegan a incluir una o más variables independientes y una o más dependientes.
Diseño factorial
3 x 2 x 2 con una repetición Tabla 5
Diseño Factorial Concentración del coagulante
(ppm)
Tiempo de coagulación
(min)
Tiempo de flocuación (min)
2000 2 15
3000 2 15
4000 2 15
2000 4 15
3000 4 15
4000 4 15
2000 2 20
3000 2 20
4000 2 20
2000 4 20
3000 4 20
4000 4 20
Fuente:Elaboracion propia
2.4. Población y muestra 2.4.1. Población
La población de estudio fueron las aguas residuales que genera la ciudad el Distrito de El Tambo, provincia de Huancayo.
2.4.2. Muestra
La muestra es según el diseño factorial son 12 muestra por duplicado, en total 24 muestras, en la prueba de jarras cada
46
tratamiento es con 1 litro de agua residual doméstica sería 24 litro más 20% de contingencia (5litros) y 1 litro para la muestra inicial. La muestra fue de 30 litros aproximadamente de agua residual doméstica muestreada en el colector a la altura de Pio Pata – El Tambo, ubicado en la provincia de Huancayo, departamento de Junín.
2.4.3. Técnica de muestreo
El muestreo para las aguas residuales de colector de Pio Pata - El Tambo - Huancayo fue muestreo aleatorio simple.
2.5. Técnicas e instrumentos de recopilación de datos La técnica utilizada fue la experimentación.
Los equipos utilizados:
• Balanza analítica. Rango 0 a 220 g con cuatro decimales. Marca Sartorius
• Estufa. Marca Ecocell
• Turbidímetro. Marca Multi 3630 IDS
• Potenciómetro. Marca HANNA
• Equipo de Prueba de Jarras. Lovibon de 4 vasos de 2 litros
• Incubadora de DBO. Marca Marca Velp
• Plancha de calentamiento con agitación. Marca JKI Los materiales utilizados :
• Un mortero de pilón
• Un tamiz malla 250um
• Luna de reloj
• Seis vasos de precipitación de 1000 mL
• 2 fiolas de 100mL
• Dos pisetas
• Dos baldes de 20 L
• Jarra de 2 L
• 30 envases de plástico de 1 litro.
• 30 envases de plástico de 0,5 litros
47
• Papel aluminio
• Pares de guantes látex
2.5.1. Obtención de coagulante de Aloe vera
• Se recolectó 4,5 kg aproximadamente de sábila, se llevó al Laboratorio de Bioprocesos, para el lavado respectivo con agua de caño, se secó al ambiente, se cortó los bordes de las hojas, se hizo remojar en una tina con agua para expulsar el yodo, durante 3 días.
• Después de los 3 días se lavó y se peló la sábila, asimismo se cortó en trozos largos para secarlos en una mufla a 60°C por 48 horas, pasado el tiempo se retiró de la mufla, se procedió al molido en un mortero con pilón y después se tamizó en malla 250um, obteniéndose un polvo fino de color marrón claro, para ser utilizado como coagulante. (Diestra y Ramos, 2019)
2.5.2. Tratamiento de las aguas residuales domésticas con el coagulante de Aloe vera
Muestreo
Se recogieron muestras de agua del colector de aguas residuales domesticas de Pio Pata, 30 L aproximadamente, se empleó 600 mL de esta muestra para analizar la turbidez, pH y la concentración de DBO, con el agua que quedó se hizo el tratamiento con el coagulante de sábila.
Preparación del coagulante
Se preparó una solución de 100000 ppm, se pesó 10g del coagulante y se disolvió en una fiola de 100mL de agua destilada. A partir de esta solución de 10000 ppm se preparó soluciones de 2000, 3000 y 4000 ppm.
Tratamiento de agua residual doméstica con el coagulante de sábila a nivel de laboratorio
Para el tratamiento del agua residual doméstica a nivel de laboratorio se utilizó el equipo de prueba de jarras
Condiciones de Tratamiento:
48
Coagulación: Agitación rápida 100 rpm; (2min, 4min).
Floculación: Agitación lenta 50 rpm; (15min, 20 min).
Sedimentación: 60 min
En el vaso de 2 L se agrega 1000 mL (Nougbode, 2016) de agua residual doméstica y se agrega el coagulante según el volumen requerido a los tres vasos al mismo tiempo, En total se hizo el tratamiento de 12 muestras con su repetición, a 0,5 L de cada muestra tratada se analizó la demanda bioquímica de oxígeno en 5 días (DBO5).
Condiciones de la incubación de la demanda bioquímica de oxígeno Tiempo: 5 días
Temperatura: 20 °C +- 1 °C
2.6. Técnica de procesamiento de datos
Se utilizará el programa estadístico minitab para procesar los datos, se determinará el ANOVA, para determinar la diferencia significativa y la Prueba de Comparaciones Múltiples de Tukey.
49 CAPÍTULO III
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1. Presentación, análisis e interpretación de los datos
Tabla 6
Obtención del coagulante de aloe vera
Descripción Masa (g)
Aloe vera 4500
Aloe vera pelado 2000
Aloe vera seco 300
Aloe vera tamizado a malla 250um (coagulante)
11,8046 g
Fuente: Elaboración propia
Tabla 7
Concentración de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en la muestra de agua residual doméstica del colector de Pio Pata (sin tratamiento)
Muestra DBO5 (ppm)
Inicial 345
50 Tabla 8
Concentración de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en la muestra de agua residual doméstica del colector de Pio Pata (con tratamiento)
Muestra DBO5 después de tratamiento
(ppm)
M1(A) 100
M1(B) 90
M2(A) 149
M2(B) 142
M3(A) 145
M3(B) 145
M4(A) 148
M4(B) 158
M5(A) 203
M5(B) 190
M6(A) 171
M6(B) 163
M7(A) 129
M7(B) 114
M8(A) 160
M8(B) 152
M9(A) 164
M9(B) 150
M10(A) 151
M10(B) 118
M11(A) 156
M11(B) 153
M12(A) 158
M12(B) 190
51 Tabla 9
Porcentaje de disminución de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en la muestra de agua residual doméstica del colector de Pio Pata (con tratamiento)
Muestra % Disminución
DBO5
M1(A) 71
M1(B) 74
M2(A) 57
M2(B) 59
M3(A) 58
M3(B) 58
M4(A) 57
M4(B) 54
M5(A) 41
M5(B) 45
M6(A) 50
M6(B) 53
