UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y DEL AMBIENTE
TESIS
PRESENTADA POR:
Mg. HIPÓLITO CARBAJAL MORÁN
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
DOCTOR EN CIENCIAS AMBIENTALES Y DESARROLLO SOSTENIBLE
HUANCAYO - PERÚ
MODELO DE SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE AGUAS
GRISES POR FOTOCATÁLISIS SOLAR CON
NANOPARTÍCULAS DE TiO
2PARA RIEGO DE CULTIVOS
ASESORA:
Dra. ROSA HAYDEE ZÁRATE QUIÑONES
DEDICATORIA
A todos mis familiares, en especial a mis padres, hermanos, a mi esposa e hijos.
AGRADECIMIENTO
A la Dra. Rosa Haydeé Zarate Quiñonez, asesora de la tesis, por sus valiosas sugerencias y aportes que permitieron la formulación, desarrollo y culminación de este trabajo de investigación.
Al Dr. Claver Wilder Aldama Reyna, especialista en tecnologías ópticas de la Universidad Nacional de Trujillo, por su valioso aporte con la caracterización de las nanopartículas.
A todos los docentes de la Unidad de Posgrado de la Facultad de Ciencias Forestales y del Ambiente de la Universidad Nacional del Centro del Perú, por haber compartido conocimientos académicos al más alto nivel, experiencias y el apoyo desinteresado que hicieron posible la culminación de esta tesis doctoral.
Finalmente agradezco a las autoridades de la Facultad de Ingeniería Electrónica – Sistemas de la Universidad Nacional de Huancavelica por el apoyo con los equipos e instrumentos ópticos que permitieron caracterizar el agua y las nanopartículas de TiO2.
ÍNDICE
DEDICATORIA ... iv
AGRADECIMIENTO ... v
ÍNDICE ... vi
ÍNDICE DE TABLAS ... x
ÍNDICE DE FIGURAS ... xi
RESUMEN ... xiii
ABSTRACT ... xiv
RESUMO... xv
INTRODUCCIÓN ... xvi
CAPÍTULO I ... 1
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ... 1
1.1. Planteamiento del problema ... 1
1.2. Formulación del problema ... 3
1.2.1. Problema general ... 3
1.2.2. Problemas específicos ... 3
1.3. Objetivos ... 4
1.3.1. Objetivo general ... 4
1.3.2. Objetivos específicos ... 4
1.4. Justificación e importancia ... 4
1.4.1. Impacto práctico ... 4
1.5. Delimitación de la investigación ... 5
1.6. Limitaciones de la investigación... 5
CAPÍTULO II ... 6
MARCO TEÓRICO ... 6
2.1. Antecedentes o marco referencial ... 6
2.2. Bases teóricas y conceptuales... 10
2.2.1. Políticas que enmarcan la recuperación del agua ... 10
2.2.1.1. Agenda 2030 para el desarrollo sostenible ... 10
2.2.1.2. Objetivo de Desarrollo Sostenible 6 ... 10
2.2.1.3. Política ambiental nacional ... 11
2.2.2. Estándar Nacional de Calidad de Agua (ECA-Agua) ... 11
2.2.2.1. Categorías establecidas por el ECA para agua ... 12
2.2.2.2. Parámetros establecidos por el ECA para agua que
serán monitoreados y controlados ... 13
2.2.3. Índice de calidad del agua ... 14
2.2.4. Desarrollo sostenible ... 16
2.2.4.1. Dimensiones del desarrollo sostenible ... 16
2.2.5. Agua y desarrollo sostenible ... 17
2.2.6. Aguas residuales ... 18
2.2.6.1. Clasificación de las aguas residuales ... 18
2.2.7. Radiación solar ... 19
2.2.7.1. Cálculo de la radiación solar ... 20
2.2.7.2. Radiación solar sobre diferentes superficies ... 24
2.2.7.3. Radiación solar incidente sobre la superficie terrestre ... 25
2.2.7.4. Radiación solar en la sierra central del Perú ... 26
2.2.8. Radiación solar ultravioleta ... 26
2.2.8.1. Atenuación de la radiación solar ultravioleta ... 28
2.2.8.2. Índice de la radiación solar UV ... 31
2.2.9. Irradiancia para el proceso de fotocatálisis solar ... 34
2.2.10. Fotocatalizador solar UV ... 36
2.2.10.1.Fotocatalizador con colector cilíndrico parabólico compuesto ... 37
2.2.10.2.Fotocatálisis con dióxido de titanio ... 39
2.2.11. Instrumentos de medición online de los parámetros del agua ... 42
2.2.12. Controlador lógico programable (PLC) ... 51
2.2.13. Software para programar el PLC SIMATIC S7 1500 ... 52
2.3. Definición de términos básicos ... 53
2.4. Hipótesis de investigación ... 56
2.4.1. Hipótesis general ... 56
2.4.2. Hipótesis específicas ... 56
2.5. Operacionalización de las variables ... 56
CAPÍTULO III ... 59
DISEÑO METODOLÓGICO ... 59
3.1. Tipo y nivel de investigación ... 59
3.1.1. Tipo ... 59
3.2. Métodos de investigación ... 59
3.3. Diseño de la investigación ... 60
3.4. Población y muestra ... 62
3.4.1. Población ... 62
3.4.2. Muestra ... 63
3.5. Técnica de muestreo ... 70
3.6. Técnicas e Instrumentos de recopilación de datos ... 70
3.7. Técnica de procesamiento de datos ... 72
CAPÍTULO IV ... 73
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 73
4.1. Resultados estadísticos ... 73
4.1.1. Análisis del experimento inicial ... 76
4.1.2. Escalamiento ascendente ... 80
4.1.3. Análisis del experimento optimizado ... 82
4.1.4. Validación de las hipótesis ... 85
4.2. Análisis de resultados ... 87
4.2.1. Índice de radiación UV solar para recuperación de aguas grises ... 87
4.2.2. Dosis de nanopartículas de TiO2 para la efectiva disminución de contaminantes orgánicos e inorgánicos en aguas grises ... 87
4.2.3. Periodo de exposición del fotocatalizador solar para la efectiva recuperación de aguas grises ... 87
4.2.4. Expresión matemática del fotocatalizador solar para la efectiva recuperación de aguas grises ... 88
4.3. Discusión de resultados ... 89
4.3.1. Del índice de radiación UV solar ... 89
4.3.2. De la dosis de nanopartículas de TiO2 ... 90
4.3.3. Del periodo de exposición del fotocatalizador solar ... 91
4.3.4. De la expresión matemática ... 92
CONCLUSIONES ... 93
RECOMENDACIONES ... 94
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 95
ANEXOS ... 109
Anexo 1. Datos de puntos de escalamiento y optimización del proceso ... 110
Anexo 2. Fotografías ... 114
Anexo 3. Normalización y escalamiento de datos proveniente de sensores de los parámetros del agua gris y radiación solar. ... 115 Anexo 4. Resultado de la medición del índice de radiación UV durante
10 días. ... 118 Anexo 5. Certificados de calibración de instrumentos. ... 120
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Clasificación del ECA para Agua ... 12
Tabla 2 Valor de parámetros de ECA - Agua categoría 3, subcategoría D1 .... 13
Tabla 3 Nivel de calificación del ICA-PE. ... 15
Tabla 4 Radiación solar diaria en la zona centro del Perú. ... 26
Tabla 5 Coeficientes para las diferentes masas ópticas. ... 29
Tabla 6 Operacionalización de variables ... 57
Tabla 7 Diseño central compuesto para 3 factores ... 60
Tabla 8 Escalamiento ascendente con 04 puntos de tratamiento ... 61
Tabla 9 Diseño central compuesto para 2 factores ... 62
Tabla 10 Caracterización de los parámetros de aguas grises para el estudio ... 63
Tabla 11 Valor de parámetros para IUV solar moderado - alto ... 65
Tabla 12 Valor de parámetros para IUV solar muy alto ... 66
Tabla 13 Valor de parámetros para IUV solar extremadamente alto ... 67
Tabla 14 Valor de parámetros de experimento axial ... 68
Tabla 15 Valor de parámetros de experimento central ... 69
Tabla 16 Índice de calidad del agua para los seis puntos centrales y seis puntos axiales del diseño de experimento inicial ... 76
Tabla 17 Valor de los coeficientes codificados ... 77
Tabla 18 Análisis de varianza ... 78
Tabla 19 Valores mínimos de factores que permiten obtener agua con nivel de calificación “Bueno” para riego de cultivos. ... 80
Tabla 20 Escalamiento ascendente con 04 puntos de tratamiento ... 81
Tabla 21 Índice de calidad de agua para los seis puntos centrales y seis puntos axiales del experimento optimizado ... 82
Tabla 22 Análisis de varianza optimizada ... 83
Tabla 23 Modelo matemático de recuperación de aguas grises ... 88
Tabla 24 Valor de parámetros de puntos de escalamiento profundo ... 110
Tabla 25 Valor de parámetros para factores optimizados ... 111
Tabla 26 Valor de parámetros para factores optimizados axiales ... 112
Tabla 27 Valor de parámetros para factores optimizados centrales ... 113
Tabla 28 Índice de radiación UV solar durante 10 días, mes de enero 2020 ... 118
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Ángulos notables que determinan la posición solar ... 22
Figura 2 Duración del día solar sobre una ubicación específica... 23
Figura 3 Media de la radiación solar terrestre y extraterrestre ... 25
Figura 4 Irradiancia solar espectral. ... 27
Figura 5 Índice de radiación solar anual ... 32
Figura 6 Índice de radiación solar diario para el mes de junio ... 33
Figura 7 Pronóstico del IUV para los meses de mayor radiación UV solar ... 33
Figura 8 Pronóstico del IUV para el mes de menos radiación UV solar ... 34
Figura 9 Angulo de inclinación del fotorreactor ... 36
Figura 10 Reflexión de la radiación solar en reactores CPC ... 37
Figura 11 Curva de radiación de un colector CPC ... 38
Figura 12 Esquema de colector CPC para la el proceso de fotocatalítico ... 39
Figura 13 Comportamiento de una partícula de TiO2, en agua por acción de la radiación UV ... 40
Figura 14 Sensor-transmisor de pH ... 43
Figura 15 Procedimiento de calibración del electrodo para medir el pH ... 44
Figura 16 Instalación del electrodo de conductividad eléctrica en la celda de flujo ... 45
Figura 17 Sensor-transmisor de DO ... 45
Figura 18 Sensor-transmisor de turbiedad ... 46
Figura 19 Sensor-transmisor de ORP ... 47
Figura 20 Sensor-transmisor de cloro residual ... 48
Figura 21 Diagrama del sensor-transmisor de temperatura PT100 ... 49
Figura 22 Respuesta del sensor UV 30A ... 50
Figura 23 Sensor de radiación ultravioleta ... 50
Figura 24 PLC SIMATIC S7 1500 ... 51
Figura 25 Módulo analógico AI 8xU/I/RTD/TC ST ... 51
Figura 26 Configuración de 4 hilos para medir corriente de 4 mA a 20 mA ... 52
Figura 27 Componentes del TIA Portal ... 53
Figura 28 Localización de la Facultad de Ingeniería Electrónica – Sistemas - UNH, lugar de toma de muestras. ... 64
Figura 29 Diagrama de bloques de conexión de sensores-transductores al
módulo analógico del PLC ... 70 Figura 30 Interface HMI del fotorreactor para recuperación de aguas grises ... 71 Figura 31 Panel de monitoreo de parámetros de aguas grises en tratamiento ... 72 Figura 32 Índice de radiación UV solar medido durante los días de desarrollo
del experimento en el lugar previamente georreferenciado ... 73 Figura 33 Absorbancia del TiO2 ... 74 Figura 34 Ubicación de sensores-transductores de parámetros de agua en
tratamiento ... 75 Figura 35 Panel del fotocatalizador con colector CPC ... 75 Figura 36 Interacción de factores para ICA-PE (%) ... 79 Figura 37 Superficie de respuesta de interacción de factores para ICA-PE (%) . 79 Figura 38 Región de optimización del ICA-PE (%) ... 81 Figura 39 Efectos principales de TiO2 y Tiempo para ICA-PE (%) ... 83 Figura 40 Interacción de factores optimizados TiO2 * Tiempo para ICA-PE (%). 84 Figura 41 Contorno y superficie de respuesta de la interacción de factores
optimizados TiO2 * Tiempo para ICA-PE (%) ... 84 Figura 42 Equipo de UV-VIS-IR ULS2048L-RS-USB2 para caracterización de
absorbancia del TiO2 ... 114 Figura 43 Caracterización de la absorbancia de las nanopartículas del TiO2 .... 114 Figura 44 Diagrama de normalización y escalado de datos de pH ... 115 Figura 45 Diagrama de normalización y escalado de datos de conductividad
eléctrica ... 115 Figura 46 Diagrama de normalización y escalado de datos de DO ... 115 Figura 47 Diagrama de normalización y escalado de datos de turbidez ... 115 Figura 48 Diagrama de normalización y escalado de datos del potencial de
oxidación-reducción ... 116 Figura 49 Diagrama de normalización y escalado de datos de cloro libre ... 116 Figura 50 Diagrama de normalización y escalado de datos de temperatura ... 116 Figura 51 Diagrama de normalización y escalado de datos de radiación
ultravioleta ... 116 Figura 52 Diagrama para obtención del índice ultravioleta (IUV) ... 117
RESUMEN
El trabajo tuvo como objetivo determinar los efectos de la configuración del modelo de sistema fotocatalítico solar con nanopartículas de TiO2 y periodo de exposición moderado durante días soleados en la recuperación de aguas grises para el empleo en riego de cultivos. Se empleó un fotorreactor solar programable basado en PLC S7 1500 y sensores de medición en tiempo real. Se empleó el método inductivo para analizar las muestras de aguas grises y el deductivo para determinar la calidad del agua. Se empleó en la investigación el diseño experimental basado en la metodología de superficie de respuesta (MSR) con experimento inicial tipo DCC de 20 observaciones, optimizado por escalamiento ascendente y un experimento final tipo DCC de 13 observaciones, estos experimentos se llevaron a cabo en días soleados del mes de enero a mayo del año 2020 en el departamento de Huancavelica. Como resultado se obtuvo un modelo de sistema de recuperación de aguas grises compuesto por un equipo electrónico fotocatalizador programable instrumentado; que permitió el desarrollo de los experimentos. Se concluye; para un índice UV solar extremadamente alto (≥11), una dosis de nanopartículas de TiO2 en el rango de 1.625 a 1.875 g/L y con un periodo de exposición de 75 a 105 minutos del fotocatalizador solar a la radiación UV se obtiene aguas grises recuperadas con índice de calidad mayor al 86% para un nivel de confianza del 95% con α = 0.05, que se traduce a una calidad buena para riego de cultivos de acuerdo al ICA-PE.
Palabras claves: contaminación, radiación, nanopartículas, fotocatálisis.
ABSTRACT
The objective of the work was to determine the effects of the configuration of the solar photocatalytic system model with TiO2 nanoparticles and a moderate exposure period during sunny days in the recovery of gray water for use in crop irrigation. A programmable solar photoreactor based on PLC S7 1500 and real-time measurement sensors was used. The inductive method was used to analyze the greywater samples and the deductive method to determine the water quality. The experimental design based on the response surface methodology (MSR) was used in the investigation with an initial DCC-type experiment of 20 observations, optimized by ascending scaling and a final DCC-type experiment of 13 observations, these experiments were carried out in days sunny from January to May 2020 in the department of Huancavelica. As a result, a gray water recovery system model was obtained, composed of an instrumented programmable electronic photocatalyst equipment; that allowed the development of the experiments. It concludes; for an extremely high solar UV index (≥11), a dose of TiO2 nanoparticles in the range of 1.625 to 1.875 g/L and with an exposure period of 75 to 105 minutes of the solar photocatalyst to UV radiation, gray water is obtained recovered with a quality index greater than 86% for a confidence level of 95% with α = 0.05, which translates to a good quality for irrigation of crops according to the ICA-PE.
Key words: pollution, radiation, nanoparticles, photocatalysis.
RESUMO
O objetivo do trabalho foi determinar os efeitos da configuração do modelo do sistema fotocatalítico solar com nanopartículas de TiO2 e um período moderado de exposição em dias ensolarados na recuperação de águas cinzas para uso na irrigação de culturas. Foi utilizado um fotorreator solar programável baseado em PLC S7 1500 e sensores de medição em tempo real. O método indutivo foi utilizado para analisar as amostras de águas cinzas e o método dedutivo para determinar a qualidade da água. O desenho experimental baseado na metodologia de superfície de resposta (MSR) com um experimento inicial do tipo DCC de 20 observações, otimizado por escala ascendente, e um experimento final do tipo DCC de 13 observações foi usado na pesquisa, esses experimentos foram realizados em dias de sol de janeiro a maio de 2020 no departamento de Huancavelica. Como resultado, foi obtido um modelo de sistema de recuperação de água cinza, composto por um equipamento fotocatalisador eletrônico programável instrumentado; que permitiu o desenvolvimento dos experimentos. Ele conclui; para um índice ultravioleta solar extremamente alto (≥11), uma dose de nanopartículas de TiO2 na faixa de 1.625 a 1.875 g/L e com um período de exposição de 75 a 105 minutos do fotocatalisador solar à radiação ultravioleta, é obtida água cinza recuperada com índice de qualidade superior a 86% para um nível de confiança de 95% com α = 0.05, o que se traduz em boa qualidade para irrigação das lavouras segundo o ICA-PE.
Palavras-chave: poluição, radiação, nanopartículas, fotocatálise.
INTRODUCCIÓN
Las actividades humanas requieren del agua, siendo esta el pilar para la generación de alimentos. Con tres mil litros de agua se puede generar alimentos por un día para una persona (Casadei & Albert, 2016; EMRC, 2011). La irrigación de cultivos en la agricultura es el de mayor consumo del agua, demandando esta actividad hasta el 10% del uso de agua dulce existente en la Tierra (UNESCO, 2006).
El aprovechamiento de las aguas grises se torna necesarias para satisfacer las necesidades de riego de cultivos; puesto que beneficiarían los suelos agrícolas, reduciendo el impacto ambiental en poblaciones de bajos recursos. El reusar aguas contaminadas en Perú, todavía representa riesgos para la salud pública, a falta de tratamientos, en especial cuando son usados para regar cultivos de consumo directo (Larios et al., 2015).
En el mundo, se aprovechan las aguas grises en varias actividades domésticas (Silva et al., 2008). De acuerdo a resultados de varias investigaciones el reusar permite ahorrar agua en porcentajes significativos de lo que normalmente se consume en viviendas (Kamizoulis, 2008; Mohamed et al., 2013).
En Australia se llevó a cabo una investigación, donde determinaron que el agua potable consumido se redujo de 30% al 50% a consecuencia del reúso de aguas grises para riego de jardines, así como césped ornamentales (EMRC, 2011).
Una de las grandes dificultades en el reúso directo de las aguas grises son los compuestos químicos y microorganismos patógenos que son los que ocasionan daños a la salud; siendo necesario dar tratamientos y medidas de seguridad para el reúso (Jeppesen, 1996).
La investigación se centró en emplear la radiación UV solar, dióxido de titanio y diferentes tiempos de exposición programados y controlados por medio de un fotorreactor con orientación hacia el norte para el aprovechamiento de una mayor concentración de la radiación. Teniendo como antecedentes diferentes estudios como el desarrollado por Almomani et al. (2018), donde evaluaron procesos fotocatalíticos para la supresión de contaminantes emergentes. El estudio de
Adrados et al. (2014b), donde determinan que la comunidad microbiana son las predominantes en aguas generadas en viviendas. Barwal et al. (2016), realizaron el acoplamiento a un reactor el concentrador solar parabólico, y Borges et al.
(2016), realizaron el tratamiento homogenizado con el proceso de foto catálisis basado en TiO2, para un proceso de oxidación avanzada, para remover sustancias acuosas y gaseosas empleando radiación solar.
Como bases teóricas se tuvo que conocer el proceso de fotocatálisis solar, las reacciones del TiO2, el comportamiento de la radiación solar UV durante el día, las características de los sensores-transmisores con diferentes parámetros del agua y la configuración con el algoritmo desarrollado en el controlador lógico programable (PLC) S7 1500. Así como también el estándar nacional de calidad de agua para uso en cultivos.
Por lo tanto, se configuró y evaluó un modelo de sistema que permite recuperar en forma efectiva aguas grises por fotocatálisis solar con nanopartículas de TiO2 para riego de cultivos.
El trabajo está organizado en cuatro capítulos. El capítulo I, abarca el planteamiento del estudio, los objetivos, justificación y las hipótesis. En el capítulo II se abarca el marco teórico dividido en antecedentes y las bases teóricas. El capítulo III abarca la metodología de investigación. El capítulo IV presenta los resultados y la discusión correspondiente. Se complementa el informe con las conclusiones, referencias bibliográficas y anexos.
CAPÍTULO I
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
1.1. Planteamiento del problema
Los recursos cada vez más carentes como el agua deben ser protegidos y preservados (Villena, 2018). Desde la primera revolución industrial, las actividades humanas empezaron a desgastar el medio ambiente (Cifuentes et al., 2018; Díaz
& Arana, 2016), por lo que gestionar el agua no siguió patrones de eficiencia (Davis et al., 2015), por esta sobreexplotación, a efectos de las actividades antropogénicas y del cambio climático, el agua potable como el agua dulce resultan más escasas (UNESCO, 2015).
El aumento de la población y las preferencias dietéticas permite proyectar el incremento de generar alimentos en un 70% para el año 2050 (Pérez et al., 2018;
Steduto et al., 2012). Potencialmente limitar esta producción es la amenaza de la escasez de agua (García et al., 2015), llegando a que la quinta parte de los países a nivel mundial sufrirán de problemas que tienen relación con el acceso al agua en el año 2040, según el análisis de World Resources Institute (WRI, 2017).
Ciertas partes del mundo presentan crecientes problemas por la falta de agua, debido al aumento de la población e incremento de la necesidad de uso de agua para producir alimentos. El agua se encuentra en disminución por diversos factores, siendo una de ellas los cambios climáticos (FAO, 2013).
El Instituto Nacional de Estadística e Informática (INEI), hace la proyección del aumento de la población a nivel de Perú, indicando que para el año 2035 superará los 37 millones de habitantes y serán más de 40 millones para el año 2050 (INEI, 2019). Este dato tiene una relación directa con la generación de aguas residuales, indica el Organismo de Evaluación y Fiscalización Ambiental que para el año 2024 las aguas residuales bordearan los 5 millones de m3/día, ya que cada persona produce en promedio 142 litros de agua residual diario (OEFA, 2014).
Reusar agua en la agricultura es una necesidad que está en estudio para adaptar a zonas con alta carencia de agua, principalmente en poblaciones urbanas crecientes con alta demanda del agua para riego de plantes (Silva et al., 2008).
Según la OMS el uso de agua en domicilios es distribuido mayormente de acuerdo a lo siguiente: en la ducha se consume el 20%, en lavado de cara y manos 4%, arrastre de excretas y orina 40%, lavado de ropa 24%, limpieza de casa 4%, lavado de utensilios empleados en la comida 8% (OMS, 2003). De estos las aguas grises representan el 48% resultado de la suma de agua proveniente de las duchas, lavado de cara y manos y lavado de ropa, cuyo componente principal son los residuos de jabón y detergentes; también contienen microorganismos patógenos generados en las duchas y lavaderos, que al unirse con aguas negras son altamente contaminados (Villena, 2018).
Las aguas grises en el Perú no están caracterizadas, sin embargo, existen estudios de caracterización hechas en otros países por varios investigadores (Franco, 2007; Imhof & Mühlemann, 2005), que establecen los niveles de parámetros físicos-químicos y microbiológicos a nivel general para las grises.
La actividad agrícola es el potencial usuario de agua regenerada, así como también del agua dulce, representando cerca del 70% de todas las actividades que dependen de la extracción del agua, en algunos países en desarrollo como los países latinos representa hasta un 95% (FAO, 2019). Alrededor de 44 países reúsan agua para el riego de cultivos, siendo esta más de 15 hm3/d tal como manifiesta Jiménez & Asano (2008), siendo estas aguas muchas veces más eficientes en la producción (FAO, 2017), y por seguridad alimentaria estas aguas destinadas al riego de plantas deben cumplir con los niveles de los parámetros establecidos para la categoría 3-D1 de estándares de calidad ambiental (MINAM, 2017).
De acuerdo a estudios internacionales compilado por investigadores de la Pontificia Universidad Javeriana (Niño & Martinez, 2013), y corroborado por el estudio piloto de caracterización de aguas grises, estas presentan las siguientes características: potencial de hidrógeno (pH: 8.8), conductividad eléctrica (CE:
≥2,500 µ 𝑆
𝑐𝑚), oxígeno disuelto (DO: <4 mg/L), turbiedad (>5 UNT), potencial de oxidación reducción (ORP: ≤450 mV) y cloro libre (FCL: ≥3 mg/L) a temperatura ambiente de 18 °C. Estos indicadores deben ser llevados a intervalos para su uso en cultivo de plantas de acuerdo a valores de estándares nacionales de calidad de
de hidrógeno (pH: 6.5 - 8.5), conductividad eléctrica (CE: <2500 µ 𝑆
𝑐𝑚), oxígeno disuelto (DO: ≥4 mg/L), turbiedad (≤35 UNT), potencial de oxidación reducción (ORP: >450 mV) y cloro libre (FCL: <1 mg/L).
Por otro lado, se tiene al Sol que es una fuente de energía inagotable compuesto de radiación UV (UV-A con λ de 400 nm a 320 nm, UV-B con λ de 320 nm a 280 nm), luz blanca y radiación infrarroja (MEM & SENAMHI, 2003), que permite realizar procesos fotocatalíticos con el dióxido de titanio (TiO2) (Nevárez et al., 2017), que es el material con propiedades fotocatalíticas no contaminantes y abundantes en la naturaleza (Tuesta & Gutarra, 2004).
Existiendo en grandes cantidades tanto la radiación UV solar como el material fotocatalizador dióxido de titanio nano estructurado se podrá llevar los parámetros del agua gris a niveles aptos para cultivo de plantas.
1.2. Formulación del problema 1.2.1. Problema general
¿Qué efecto produce la configuración del modelo de sistema fotocatalítico solar con nanopartículas de TiO2 y un periodo de exposición moderado durante días soleados en la recuperación de aguas grises para riego de cultivos?
1.2.2. Problemas específicos
a. ¿Cómo el índice de radiación UV solar extremadamente alto influye en la recuperación de aguas grises para riego de cultivos durante días soleados?
b. ¿El empleo de dosis de nanopartículas de TiO2 menor a 2 g/L influye en la mejora de la calidad de las aguas grises expuestas a radiación solar?
c. ¿El periodo de exposición menor a 120 minutos del fotocatalizador solar en días soleados influye en la efectiva recuperación de aguas grises para riego de cultivos?
d. ¿Cuál es la expresión matemática que permite calcular la efectividad del modelo de sistema de recuperación de aguas grises por fotocatálisis solar para una radiación UV solar extremadamente alto, con dosis de nanopartículas de TiO2 y el periodo de exposición?
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo general
Determinar los efectos de la configuración del modelo de sistema fotocatalítico solar con nanopartículas de TiO2 y un periodo de exposición moderado durante días soleados en la recuperación de aguas grises para riego de cultivos.
1.3.2. Objetivos específicos
a. Determinar la influencia del índice de radiación UV solar extremadamente- alto en la recuperación de aguas grises para riego de cultivos durante días soleados.
b. Determinar la influencia del empleo de dosis de nanopartículas de TiO2 entre 1 y 2 g/L en la mejora de la calidad de las aguas grises expuestas a radiación solar.
c. Determinar la influencia del periodo de exposición menor a 120 minutos del fotocatalizador solar en días soleados en la efectiva recuperación de aguas grises para riego de cultivos.
d. Determinar la expresión matemática que permite calcular la efectividad del modelo de sistema de recuperación de aguas grises por fotocatálisis solar para un índice de radiación UV solar extremadamente alto, con dosis de nanopartículas de TiO2 y el periodo de exposición.
1.4. Justificación e importancia 1.4.1. Impacto práctico
El tratamiento de aguas grises con un fotocatalizador solar para la reducción de bacterias y concentración de detergente a niveles adecuados para el reúso en cultivo de plantas, permitió mejorar llevar los parámetros del agua a niveles adecuados evitando la contaminación medioambiental y preservando la biodiversidad acuática.
La disrupción tecnológica de los últimos años permite aprovechar la radiación solar con fines de disminuir los microorganismos patógenos en aguas residuales.
Esta aplicación se implementó en un prototipo que es una nueva alternativa a nivel
1.5. Delimitación de la investigación
• Delimitación espacial: La investigación fue desarrollado en el departamento de Huancavelica, provincia Tayacaja, distrito de Pampas en la ciudad universitaria de la Facultad de Ingeniería Electrónica – Sistemas de la UNH, geolocalizado a una Latitud: 12.3910°, Longitud: -74.8581° y Altitud: 3,281 msnm.
• Delimitación temporal: los experimentos se desarrollaron durante los días soleados entre los meses enero a mayo del 2020.
• Delimitación de la unidad de análisis: El volumen de la unidad de análisis con la que se experimentó fue 05 litros de aguas grises provenientes del lavado de ropa y ducha, limitado por la capacidad del fotorreactor, los cuales fueron previamente caracterizadas. Los análisis se llevaron a cabo sobre un equipo prototipo de fotocatálisis solar implementado con sensores de radiación UV solar, PH, CE, DO, ORP, FCL y turbidímetro con transmisores analógicos de corriente de 4 a 20 mA.
• Delimitación Temática: Desarrollo de un modelo de sistema para recuperar aguas grises de manera sostenible por fotocatálisis empleando la radiación solar y con nanopartículas de TiO2 movilizados con un dispositivo de impulsión con actuadores eléctricos, sobre reactores de distribución tubular con concentrador parabólico compuesto.
1.6. Limitaciones de la investigación
El trabajo se limitó al análisis de las pruebas de recuperación de aguas grises en días soleados con índice de radiación solar extremadamente - alto.
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes o marco referencial
Ponce (2018) en su tesis doctoral “Tratamiento de Aguas Residuales Mediante Procesos Basados en la Radiación Solar y el Ozono. Evaluación mediante Técnicas analíticas y microbiológicas avanzadas”, desarrollado en la Universidad de Almería- España, aborda la contaminación del agua por los compuestos con toxicidad y biorrecalcitrantes combinando tratamientos físico- químicos, procesos oxidativos y biológicos. Como unidad de estudio se seleccionó un efluente industrial obtenido del cocido del corcho natural. Se evaluaron los parámetros DQO, turbidez, nitrógeno total, hierro en disolución, entre otros y técnicas microbiológicas, así como test microbiológicos. Se han desarrollado metodologías analíticas que permitieron caracterizar las aguas residuales industriales. Se empleó una estrategia para cuantificar las muestras que se seleccionaron de fangos de una industria agroalimentaria y EDAR convencional.
Para el logro de objetivos en la línea de tratamiento se adoptó en biológico aerobio para aguas residuales tratadas mediante foto-Fenton con acción solar, teniendo la necesidad de mineralizar los contaminantes.
Castro (2017) en su tesis doctoral “Modelado cinético de la inactivación de escherichia coli en agua mediante radiación solar y aplicaciones de sodis”, desarrollado en la Universidad de Almería-España, plante como objetivo modelar mecanismos que producen la inactivación a nivel de célula mediante la acción solar.
Desarrollándose un modelo empleando E. coli K-12 en agua pura con NaCl. Este estudio tomó en cuenta el principio de desactivación bacteriana por exposición al Sol que produce ataque intracelular por fotólisis. Se empleó un protocolo para medir el estrés oxidativo en células mediante conductos fluorescentes con diacetato hidrolizada químicamente y se detectó con citometría de flujo. Se consideró en el modelo rangos de temperatura SODIS (30 – 55 ºC), en plena luz y en días nublados.
Obteniendo el modelo matemático con parámetros obtenidos por regresión. El modelo se validó en condiciones reales en agua clara y en botellas del tipo PET, usando irradiancias variables y temperaturas de agua diferentes.
Jiménez (2015) en su tesis doctoral “Desarrollo de nuevas estrategias basadas en fotocatálisis solar para la regeneración de aguas de una industria agro- alimentaria”, desarrollado en la Universidad de Almería-España, se tiene la necesidad de eliminar contaminantes de los recursos hídricos ya que producen contaminación en el medio ambiente, toda vez que para conservar los alimentos se usan xenobióticos y plaguicidas. Se evaluó la actividad de fotocatálisis del TiO2 sin movilidad vidrios esféricos, usando varios compuestos orgánicos en agua, en escala laboratorio y escala planta piloto, concluye que el TiO2 inmovilizado es estable mecánicamente permitiendo actividad fotocatalítica en acetaminofén como compuesto en efluente de EDAR.
Adrados y otros (2014a) llevan a cabo la investigación “Microbial communities from different types of natural wastewater treatment systems: vertical and horizontal flow constructed wetlands and biofilters”, desarrollada en Dinamarca, llegando a determinar que la comunidad microbiana (Archaea) son las predominantes en aguas provenientes de uso doméstico. Con el tratamiento de flujo horizontal (HFCW) y vertical (VFCW) combinado con biofiltros (BF) se determina la prevalencia de microorganismos del tipo g-Proteobacteria y Bacteroidetes. Por lo que es necesario la depuración bacteriana por otros métodos.
Barwal y Chaudhary (2016) en la investigación “Feasibility study for the treatment of municipal wastewater by using a hybrid bio-solar process” desarrollan un reactor con concentrador parabólico configurado para reducir carga orgánica y desinfectar de microbios las aguas contaminadas, se localizó en la India a 22°43’00’’ N, 75°50’’50’ E, el agua fue sometido a degradación de compuestos orgánicos y bacterianas por efecto de la radiación solar, por un tiempo entre 5 y 6 horas en periodos soleados y nublados con una eficiencia de 40 % y 13 % respectivamente.
Borges, Cuevas, García y Esparza (2016) en la investigación “Photocatalysis with solar energy: Sunlight-responsive photocatalyst based on TiO2 loaded on a natural material for wastewater treatment”, instalada en el Centro de Investigación Atmosférica en España, homogenizan el proceso fotocatalítico basado en TiO2, para un proceso de oxidación avanzada, para remover sustancias acuosas y
gaseosas. El empleo de la radiación solar permite degradar la polución por fotocatálisis representando una económica y sustentable alternativa, la actividad fotocatalítica es evaluado en diferentes condiciones de radiación bajo la luz solar.
Como resultado se obtiene una degradación del 95% del agua contaminada después de un tiempo de 2 h, siendo el propósito de tratar grandes volúmenes de agua contaminada por tener este sistema una avanzada capacidad oxidativa.
Uslu, Demirci y Regan (2016) en el trabajo “Disinfection of synthetic and real municipal wastewater effluent byflow-through pulsed UV-light treatment system”, instalado en una Estación Experimental de la Universidad de Pelsilvania-EEUU, caracterizan la eficacia de tratamiento de fluido en relación al flujo con luz UV para inactivar bacterias del tipo E. coli y esporas de Bacillus subtilis en aguas contaminadas municipales. El resultado observado es que a un flujo de 10 L/min se elimina el E. coli y a 6 L/min se elimina subtilis. Estos resultados indica la limpieza satisfactoria desinfectado los efluentes de agua contaminada reduciendo la carga orgánica del agua residual municipal, por lo que la tecnología UV puede ser una alternativa a la cloración para tratar aguas residuales municipales.
Polo (2012) en su tesis doctoral “Inactivación de fito-patógenos presentes en agua mediante fotocatálisis solar”, desarrollado en la Universidad de Almería- España, realizó varios tratamiento fotocatalíticos con la radiación solar inactivando esporas del género Fusarium y Phytophthora en agua. Siendo estos los que causan severos problemas de contaminación en agua y suelos usados para agricultura. Un tratamiento estudiado es la fotocatálisis con TiO2. Este semiconductor al interactuar con oxígeno y fotones genera radicales en el agua. Empleó botellas de pequeños volúmenes de agua de 200 ml que se convirtieron en fotorreactores, demostrando que este experimento es eficiente para inactivar esporas fúngicas. Siendo atractiva para aplicaciones en mayores volúmenes de agua.
Powell, Litter, Blesa y Apella (2007) desarrollaron la investigación
“Desinfección solar de aguas por fotólisis y fotocatálisis: aplicación en Tucumán, Argentina”; en Tucumán – Argentina, donde determina que tanto la desinfección solar (SODIS) como la desinfección híbrida fotocatalítica (FHS) ofrecen la remoción
en días soleados. Los cambios en los valores de diferentes parámetros físico- químicos del agua en tratamiento no fueron satisfactorios al igual que el control bacteriano por 24 h post tratamiento. Por lo que fue necesario aplicar un tratamiento combinado con TiO2, que se adhirió a la pared de las botellas, siendo práctico, lográndose resultados favorables.
Blanco (2002) en su tesis doctoral “Desarrollo de colectores solares sin concentración para aplicaciones fotoquímicas de degradación de contaminantes persistentes en agua”, desarrollado en la Universidad de Almería-España, teniendo en cuenta que los fotones de la luz solar rompen y degradan componentes orgánicos por fotólisis, y que años atrás se encontró que la catálisis acelera este fenómeno, abriendo paso a procesos fotocatalíticos solares. Este proceso es aplicable al medioambiente para foto degradar a los contaminantes existentes en el aire, agua o suelo. Presenta como resultado de la Tesis Doctoral resumen de plataformas solares aplicables a la foto-degradación de carga orgánica/inorgánica en agua, como una tecnología de alto impacto.
Deza Martí y otros (2017), en la investigación “Evaluación experimental de la degradación fotocatalítica del colorante Cibacron Navy H-2G empleando nanopartículas industriales de TiO2” llevada a cabo en el “Laboratorio de Nanotecnología e Innovación Tecnológica”, de la UNMS en Perú, evaluaron con experimentos “la degradación del colorante azul, Cibacron Navy-H2G aprovechando la acción fotocatalítica de las nanopartículas de TiO2 de fase anatasa”. Que miden alrededor de 26.6 nm, esta dimensión fue determinada empleando microscopia de transmisión electrónica (TEM). Los efectos de la fotocatálisis fueron evaluados para diferentes dosis del TiO2 de 0.1 g a 1.0 g. En el experimento la dosis del colorante fue de 20 ppm a 100 ppm; variando el pH de 2 a 10. Con espectrofotometría UV-Visible se monitoreó la degradación fotocatalítica.
Los valores óptimos encontrados fueron con la dosis de TiO2 que bordea los 0.6 g, para una concentración de 20 ppm del colorante en estudio y con pH 4.
2.2. Bases teóricas y conceptuales
2.2.1. Políticas que enmarcan la recuperación del agua 2.2.1.1. Agenda 2030 para el desarrollo sostenible
Plan global orientada a erradicar la pobreza, mitigar los efectos del cambio climático y reducir las divergencias sociales en el mundo (CEPAL, 2015). Se desarrolló en base a consultas en diferentes países llegando a poblaciones con alta vulnerabilidad, entre ellos están alrededor de 80 mil personas del Perú. Siendo adoptada por 193 países que son parte de las Naciones Unidas. Siendo su objetivo evitar que los países se rezaguen.
Los países miembros aprobaron los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) con 169 metas asociadas a los ODS, que establecen un plan de desarrollo de alcance mundial. Los ODS identifican y evidencian lo complejo del desarrollo, dando mayor énfasis a las dimensiones: sociales, económicas y ambientales; estas características las hace integras e indivisibles, por lo que para desarrollarse es necesario avanzar conjuntamente con el resto.
2.2.1.2. Objetivo de Desarrollo Sostenible 6
Este objetivo se refiere a “Garantizar la disponibilidad de agua y su gestión sostenible y el saneamiento para todos y disminuir la escasez de los recursos hídricos, la deficiente calidad del agua y el saneamiento inapropiado influyen de manera negativa en la seguridad de la alimentación, las opciones de los medios de subsistencia y oportunidades de educación para familias pobres en todo el mundo”
(PNUD, 2015).
En las estadísticas presentadas para este objetivo de desarrollo sostenible gran número de los países de América Latina incluido el Caribe recuperan menos del 50% de las aguas residuales generadas de modo adecuado. También establece que aproximadamente 70% del agua disponible se utiliza para riego. Siendo una de las metas para el 2030, “mejorar en gran medida la calidad del agua reduciendo la contaminación, eliminando el vertimiento y minimizar la descarga de los materiales y productos químicos que son peligrosos, la reducción al 50% de aguas residuales sin tratar y un aumento considerable del reciclado y la reutilización tomando en cuenta la seguridad a nivel mundial” (ONU, 2015b).
2.2.1.3. Política ambiental nacional
En el Plan Nacional de Acción Ambiental (PLAANA), una de las metas para el 2030 es “mejorar la calidad del agua mediante la reducción de la contaminación, la eliminación del vertimiento y la reducción al mínimo de la descarga de los materiales y productos químicos que son peligrosos, la reducción al 50% de aguas residuales sin tratar y un aumento considerable del reciclado y la reutilización tomando en cuenta la seguridad a nivel mundial” (NU-Perú, 2015).
Se visibiliza las dificultades más álgidas del país limitando los posibles usos de este elemento comprometiendo la normal provisión del agua a la población más necesitada, por otro lado, altera los hábitats y por tanto provoca extinción de algunas especies; siendo las principales causas:
• Derrame de efluentes domésticos y los generados por la industria manufacturera, minera, agroquímica, entre otros directamente a los ríos, sin la disminución de la alta carga orgánica y de los elementos que son peligrosos, entre estos podemos mencionar: los elementos químicos empleados en agricultura, compuestos químicos empleados en actividades ilícitas, lixiviados generados por actividades mineras, y botaderos de residuos sólidos domiciliarios e industriales.
• Incorrecta manipulación de aguas residuales provenientes de domicilios, minería, pesquería, agricultura entre otros, así como también “las descargas de aguas residuales sin tratamiento procedentes de las poblaciones; aguas residuales industriales y desarrollo de actividades informales como la minería afectan la calidad de los ríos” (MINAM, 2011, p. 15).
La acción estratégica 1.1. de la meta 1-agua del PLAANA es que al 2021, el
“100% de aguas residuales urbanas son tratadas y el 50% de éstas, son reusadas, Así como también el 30% de aguas residuales del ámbito rural son tratadas y reusadas” (MINAM, 2011, p. 54). Siendo este marco de importancia para el desarrollo de esta investigación.
2.2.2. Estándar Nacional de Calidad de Agua (ECA-Agua)
El ECA establece las medidas del “nivel de concentración de sustancias o parámetros físicos, químicos y biológicos, que se encuentran en el aire, el agua o suelo” (MINAM, 2017, p. 10). Estos niveles indican que las concentraciones no
representan riesgos significativos para el medio ambiente y salud humana. Según un determinado parámetro, la concentración podrá ser expresada como máximos, mínimos o intervalos.
En el país, iniciando con la Ley General de Aguas aprobado con “Decreto Ley N° 17752” (MINAM, 1969), y luego con la “Ley N° 29338 de Recursos Hídricos”
(MINAM, 2009); se indica que los ECA para el agua se fija de acuerdo a las categorías establecidas por el uso dado a los cuerpos naturales de agua (MINAM, 2017), el agua es clasificada en 4 categorías por el ECA.
2.2.2.1. Categorías establecidas por el ECA para agua
El ECA para gua se clasifica en 04 categorías: la categoría 1 está destinada al uso de la población y actividades recreativas; categoría 2 está destinada a la extracción, cultivo y otras actividades marino costeras y continentales; la categoría 3 está destinada al riego de vegetales, bebida de animales y finalmente; la categoría 4 destinada a la conservación del ambiente acuático (ver Tabla 1).
Tabla 1
Clasificación del ECA para Agua
Categoría Descripción Subcategoría Descripción
Categoría 1-A
Aguas superficiales destinadas a la obtención de agua para consumo humano.
A1 Se potabiliza con
desinfección.
A2 Agua a potabilizar con tratamiento convencional.
A3 Agua a potabilizar con tratamientos avanzados.
Categoría 1-B
Aguas superficiales
para uso
recreacional.
B1 Contacto primario B2 Contacto secundario
Categoría 2
Aguas de mar.
C1 Usado para cultivo de moluscos bivalvos
C2 Usado para cultivo de especies hidrobiológicas.
C3 Para actividades
diversas.
Aguas
continentales. C4
Usado en cultivo de especies hidrobiológicas en lagos o lagunas.
Categoría 3
Riego de
vegetales y bebida de animales
Para riego de vegetales.
D1 Usado para riego de cultivos.
Para bebida de
animales. D2 Usado para bebida de
animales.
Categoría 4
Conservación del Ambiente Acuático.
E1 Para lagunas y lagos.
E2
Para ríos de costa y sierra.
Para ríos de la selva y estuarios marinos
E3
Nota: Tabla del ECA para agua adaptada de MINAM (2017).
2.2.2.2. Parámetros establecidos por el ECA para agua que serán monitoreados y controlados
En la Tabla 2 se presenta el valor de parámetros del ECA para Agua que es usado para regar cultivos.
Tabla 2
Valor de parámetros de ECA - Agua categoría 3, subcategoría D1
Parámetro Unidad de
medición
Riego de vegetales
Agua para riego no restringido
CE µS/cm ≤2500
DO (min) mg/L ≥ 4
pH Unidad 6.5 – 8.5
ORP mV ≥ 500*
Turbiedad UNT ≤ 35**
FCL mg/L < 1**
Temperatura °C Δ3
Nota: Estos parámetros son adaptados del ECA para agua de la sub categoría D1 que se encuentra en la categoría 3 (MINAM, 2017, p. 17). * No está considerado en el ECA para Agua, se toma del trabajo experimental de mediciones del potencial REDOX para determinar la desinfección del agua (A Hendrix Genetics Company, 2014; Victorin et al., 1972).** El rango de la turbiedad se adopta de los trabajo para riego de cultivos de Arikiç y FAO (Akiça, 2004; FAO, 1999).
2.2.3. Índice de calidad del agua
Los parámetros del agua deben ser evaluadas en base al ECA establecidos para las diferentes categorías, para esto la Autoridad Nacional del Agua (ANA), dentro de la Ley N° 29338, establece la “Metodología para la determinación del Índice de Calidad del Agua ICA-PE, aplicada en los cuerpos de agua continentales superficiales” (ANA, 2018, p. 21), siendo esta una herramienta que permite de manera simplificada valorar la calidad del agua.
Con la fórmula canadiense se determina el índice de calidad del agua (Balmaseda & García, 2014; CCME, 2001), el mismo que se calcula en base a tres componentes (𝐹1 alcance, 𝐹2 frecuencia y 𝐹3 amplitud), como resultado se obtiene valores entre 0 y 100, que representa la calidad del agua en el punto o estación en monitoreo. Los factores se definen en las ecuaciones (1 a 3).
𝐹1 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑛𝑜 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒𝑛 𝑙𝑜𝑠 𝐸𝐶𝐴 − 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑟
(1)
𝐹2 =
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑁𝑂 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝐸𝐶𝐴 − 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝐷𝑎𝑡𝑜𝑠 𝐸𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜𝑠
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐷𝑎𝑡𝑜𝑠 𝐸𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜𝑠
(2)
𝐹3 = 𝑆𝑢𝑚𝑎 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
𝑆𝑢𝑚𝑎 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 + 1∗ 100 (3) La suma normalizada de excedentes (𝑛𝑠𝑒) se calcula con la ecuación (4).
𝑛𝑠𝑒 = 𝑆𝑢𝑚𝑎 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
=∑𝑛𝑖=1𝐸𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑖 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐷𝑎𝑡𝑜𝑠
(4)
𝐸𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑖 se calcula para cada parámetro, siendo la diferencia del valor del ECA y el valor del ECA- Agua.
Si el valor del parámetro en estudio excede al dado en el ECA- Agua, entonces se tiene un valor excedente que se calcula con la ecuación (5).
𝐸𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑖 = (
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑛𝑜 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 𝑒𝑙 𝐸𝐶𝐴 − 𝐴𝑔𝑢𝑎
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝐸𝐶𝐴 − 𝐴𝑔𝑢𝑎
) − 1 (5)
Si el valor del parámetro está por debajo de valor del ECA- Agua, se tiene un excedente calculado con la ecuación (6).
𝐸𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑖 = (
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝐸𝐶𝐴 − 𝐴𝑔𝑢𝑎
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑛𝑜 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 𝑒𝑙 𝐸𝐶𝐴 − 𝐴𝑔𝑢𝑎
) − 1 (6)
Con estos tres factores (𝐹1, 𝐹2 y 𝐹3) se calcula el ICA-PE empleando la ecuación (7).
𝐼𝐶𝐴 − 𝑃𝐸 = 100 − √𝐹𝐼2+ 𝐹22+ 𝐹32 3
(7)
Con el ICA-PE calculado se establece el estado de calidad del agua como:
excelente (90% a 100%), bueno (75 % a 89%), regular (45% a 74%), malo (30% a 44%) y pésimo (0 % a 29%). En la Tabla 3 se representa la interpretación del nivel de calificación (ANA, 2018).
Tabla 3
Nivel de calificación del ICA-PE.
ICA - PE Calificación Observación
90 - 100 “Excelente” El agua en su calidad no tiene amenazas, con condiciones próximas a niveles deseados.
75 - 89 “Bueno” El agua puede tener algunas amenazas, con condiciones poco alejadas a niveles deseados.
45 - 74 “Regular”
Presenta amenaza o daño la calidad del agua, el valor está lejos de lo deseado, requiere tratamiento para algunos usos.
30 - 44 “Malo” Con frecuencia presenta amenaza o daño la calidad del agua, requiere tratamientos.
0 - 29 “Pésimo”
La calidad del agua siempre está amenazada o dañada por lo que no cumple con lo deseado, para todo uso requiere tratamientos.
2.2.4. Desarrollo sostenible
“El Desarrollo Sostenible o sustentable (DS) se convirtió en un concepto aceptado a nivel mundial, guía las interacciones entre la naturaleza y la sociedad que incluyen la extracción y reposición de los recursos, con el fin de controlar los cambios locales y globales como el cambio climático, falta de equidad social, pobreza, desgaste de la biodiversidad, sobrepoblación y ausencia de recursos”
(Disterheft et al., 2013, p. 2). Por lo que es necesario un cambio de paradigma a todo nivel, incluida la educación y consumo de recursos.
2.2.4.1. Dimensiones del desarrollo sostenible a. Dimensión ambiental-ecológica
Estable que el desarrollo es dependiente de los recursos que tengan los representantes de las instituciones y los que proveen para su conocimiento y manejo con proyección a largo plazo de los recursos que son renovables y que interaccionan con el medio ambiente. Esta dimensión permite dar atención preferente a la biodiversidad; representados por el agua, suelo y bosques. Estos son factores que establecen la capacidad de producción de diversos espacios y que
“no es posible el reemplazo del capital natural por otro artificial, porque los ecosistemas y los recursos de la naturaleza realizan funciones que no se pueden reemplazar” (Kopfmüller et al., 2001; Sepúlveda et al., 2002, p. 11).
b. La dimensión social
Abarca a la distribución en el espacio y por edades de la población; así como también, se refiere de modo especial “al conjunto de relaciones sociales- económicas que se dan en toda sociedad y que inclusive tienen como base la ética, la religión y la cultura. Estas relaciones determinan, mayormente, el grado de acceso a las diversas formas del poder político en todos sus niveles” (Sepúlveda et al., 2002, p. 9).
c. La dimensión política-institucional
El desarrollo sostenible necesita de cambios, muchas veces estructurales, en las actitudes de las personas, de los actores estatales y de las diversas empresas.
“Esta dimensión considera la estructura y la labor del sistema político, a nivel nacional, regional o local; también, es el nicho donde se establecen posiciones y se toman las decisiones sobre el horizonte que se desea seguir en el proceso de
orientar y operativizar el horizonte de desarrollo escogido. Por lo tanto, en esta dimensión se establecen los grupos y los roles de hegemonía de los diferentes actores que representan diversos intereses y se establecen los equilibrios a nivel político por medio de negociaciones” (Kopfmüller et al., 2001, p. 103; Sepúlveda et al., 2002, p. 9).
d. Dimensión económica
Se constituye por actores representados por las familias, empresas, y el Estado. Tiene como objetivo producir bienes, servicios, y con los ingresos satisfacer las necesidades económicas.
Esta dimensión también “se relaciona con la capacidad de producción y con el potencial de la economía de las regiones, vista desde una perspectiva multisectorial, involucra las actividades primarias con aquellas que son propias del procesamiento y el comercio, así como también con la que corresponde al empleo de la base de los recursos naturales” (Sepúlveda et al., 2002, p. 11).
2.2.5. Agua y desarrollo sostenible
El área que consume más agua a nivel mundial es la agricultura, “llegando a representar el 70% de las extracciones de agua en todo el mundo” (ONU, 2015a).
Estos porcentajes pueden variar entre diferentes países, ya que la agricultura en tierras secanas predomina a nivel mundial, produciendo en promedio más de la mitad de lo necesario, por lo que se requiere optimizar la gestión agrícola. Para el año 2050, “la agricultura debe producir un 60% más de alimentos en el mundo y siendo un 100% más países en vías de desarrollo” (ONU, 2015a, p. 2).
La producción industrial y la energética demandan más del 20% del agua en el mundo. En los países desarrollados extraen agua dulce para la industria, mientras que en países en desarrollo predominan el uso de agua en agricultura, por lo que es necesario hacer sostenible el uso de recursos hídricos y otros (ONU- DAES, 2015).
El uso doméstico es aproximadamente 10% del total de agua que se usa en el mundo, se considera que más de 748 millones de pobladores no acceden al agua potable, más de 2,500 millones no cuentan con servicio de saneamiento (ONU- DAES, 2015).
Por encima del 50% de pobladores radican en zonas urbanas, proyectado al 2050 se espera que más del 60% de 9,000 millones de personas vivan en ciudades
(ONU-DAES, 2015). Los países en desarrollo presentarán mayor crecimiento dando lugar a un incremento de personas que vivirán en pobreza y en barrios marginales con acceso restringido al agua. Por lo que, la demanda del agua se incrementa constituyendo la base para desarrollar la economía, la sostenibilidad ambiental y equidad social.
Es importante para el desarrollo sostenible evitar la crisis ecológica a nivel global, para esto se debe dar especial énfasis en lo que establece la ONU: “los esfuerzos, desde el punto de vista de la ecología que se hacen para un desarrollo sostenible aún no han tenido éxito. La degradación del medio ambiente en el mundo ha alcanzado un nivel crítico, acercándose a límites que podrían generar el colapso masivo. En consecuencia, la comprensión de los límites planetarios globales, deben respetarse para proteger los sistemas que dan vida en la Tierra, teniendo que ser la base de la estructura del desarrollo sostenible” (ONU, 2015a).
2.2.6. Aguas residuales
Presentan modificaciones en sus características originales debido a su empleo antropogénico, por lo que “necesitan de tratamientos, para ser nuevamente usadas o vertidas a cuerpos naturales de agua como son los ríos y lagunas o descargadas al sistema de alcantarillado” (OEFA, 2014, p. 2).
Estas aguas se generan de diversos modos, pudiendo ser las fuentes los domicilios, la industria, actividades pecuarias, la agrícola, actividades recreativas, entre otras. De acuerdo a las formas de generación se determinan las características que pueden tener dichas aguas.
2.2.6.1. Clasificación de las aguas residuales 2.2.6.1.1. Aguas residuales domésticas.
Son de origen residencial y comercial “contienen desechos fisiológicos, y otros, provenientes del uso antrópico, y deben ser dispuestas de modo adecuado”
(OEFA, 2014, p. 3). Se clasifican en dos:
- Aguas negras
Caracterizado por transportar sustancias residuales provenientes del excusado en diferentes estados como: disueltos, en suspensión o coloidal. Estos residuos pueden ser de origen orgánico o mineral, cuando es de origen orgánico
orgánica inerte, la descomponen generando malos olores con apariencia física inaceptable, y en el segundo caso es generado por los minerales presentes por sabre abastecimiento.
- Aguas grises
Caracterizado por ser aguas jabonosas que provienen principalmente del uso de la ducha, lavamanos y del lavado de ropa. Pudiendo estas aguas ser utilizados en el excusado, mas no para el regado de las plantas. Estas aguas a diferencia de aguas negras no está contaminado con bacterias fecales, como la Escherichia coli (E-Coli) por lo que con tratamiento adecuado pueden ser empleados en el regadío (Passarini et al., 2012).
2.2.6.1.2. Agua residual municipal o urbana
Resulta del uso doméstico del agua, generalmente “mezclado con aguas de drenaje pluvial, así como también con aguas residuales industriales con tratamiento previo, para ser admitidas en los sistemas de alcantarillado de tipo combinado”
(OEFA, 2014, p. 3).
2.2.6.1.3. Agua residual industrial
Resultan del empleo del agua en procesos de transformación, incluyendo a las empleadas en actividades mineras, agricultura, energía, agroindustria, entre otras (FAO, 2017; OEFA, 2014, p. 3). Se caracterizan por provenir de las actividades industriales. “Entre los contaminantes de mayor importancia del agua se encuentran los microbios patógenos, metales pesados y la materia orgánica persistente, también se tiene sedimentos en suspensión y los pesticidas, los cuales, provienen de fuentes no localizadas” (UNESCO, 2009).
2.2.7. Radiación solar
El Sol genera energía que se transmite al exterior a través de radiaciones electromagnéticas, conocido como radiación solar. El Sol es gran reactor nuclear de forma esférica, “irradia una potencia energética de 3.8 x 1023 kW, en forma de energía electromagnética, que es resultado de convertir 4.7 x 106 Ton/s de materia a energía. Del total de energía llega a la Tierra 1.7 x 1014 kW, que representa 1.5 x 1018 kWh anual” (Voeikov Main Geophysical Observatory, 1999).
La energía irradiada por el Sol es equivalente a unas 28,000 veces la energía que es consumida a nivel mundial en un mismo lapso de tiempo. “El 30% de esta radiación es reflejada al espacio, el 47% es absorbida por la tierra, mares y atmósfera, el restante 23% se usa para mantener la convección atmosférica y el ciclo hidrológico” (Coulson, 1975). El rango de la λ de las radiaciones abarca desde el ultravioleta (200 nm) pasando por la luz visible hasta el infrarrojo (4,000 nm).
Las reacciones nucleares se producen en el núcleo del Sol que tiene un radio solar desde su centro aproximadamente de 0.7. En esta zona se producen constantes reacciones nucleares de fusión, el cual mantiene en estado incandescente con una densidad de 90 gr/cm3 y temperaturas cercanas a 15 x 106
°K.
El límite exterior a la zona convectiva (0.7 y 1 radios solares) se conoce como Fotósfera. “Esta región tiene de 300 a 400 Km de espesor, con temperatura alrededor de 6,000 °K y una densidad de 10-8 g/cm3” (Coulson, 1975).
El Sol, por la radiación emitida se considera cuerpo negro con temperatura de 5.762 °K, esta temperatura es calculada de la ley de Stefan-Boltzmann (ecuación 8), donde la temperatura del mismo elevada a la cuarta es función de la energía radiada (R. Boyd, 1983).
𝐸 = 𝜎𝑇4 (8)
Donde: 𝐸 es la energía total radiada por el cuerpo negro, σ representa a la constante de Stefan-Boltzmann 5.67x10–8 W/m2K4, y T es temperatura de la superficie solar.
2.2.7.1. Cálculo de la radiación solar
“La distancia existente del Sol a la Tierra se da en Unidad Astronómica (U.A.) que equivale a 𝑟0 = 1.496x108 km” (Iqbal, 1983, p. 2). “La radiación solar que recibe la Tierra es inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia. La Tierra gira alrededor del Sol sobre una órbita elíptica imaginaria teniendo como foco al Sol. La Tierra se encuentra en su posición más cercana al Sol aproximadamente el día 3 de enero con una distancia de 0.983 U.A. y en el punto más lejos aproximadamente el día 4 de julio con una distancia de 1.017 U.A.” (Iqbal, 1983, p.
3).
“Del valor de la distancia Tierra-Sol 𝑟0, se estima un factor de corrección (ecuación 9) de la excentricidad de la órbita terrestre, 𝐸0 [𝐸0 = (r0
r)2], con el que se estima la distancia, r, para un día determinado, usando series de Fourier con error menor a 0.01%” (Spencer, 1971).
𝐸0 = 1.00011 + 0.034221cosΓ + 0.00128𝑠𝑒𝑛Γ
+ 0.000719cos2Γ + 0.000077𝑠𝑒𝑛2Γ (9) Donde: Γ es el ángulo diario (rad) se calcula con la ecuación (10), para un número de día, n te toma valores de 1 a 365, bajo el supuesto de que febrero siempre posee 28 días. En 4 años la fórmula requiere una ligera corrección.
Γ =2𝜋(𝑛 − 1)
365 (10)
La declinación “δ” representa al ángulo formado por la intercepción de una línea al centro de la Tierra y del Sol con el ecuador terrestre, esta cambia continuamente en el año; desde +23º 27’ hasta –23º 27’, que representa los solsticios de verano e invierno respectivamente, para el hemisferio norte y de manera inversa para el hemisferio sur, es cero para los equinoccios. δ varía aproximadamente 0.5° en 24 horas (Spencer, 1971). La declinación, se calcula con la ecuación (11).
δ =0.006918 − 0.399912cosΓ + 0.070257𝑠𝑒𝑛Γ +0.006758 cos 2Γ
+0.000907𝑠𝑒𝑛2Γ +0.002697 cos 3Γ +0.00148𝑠𝑒𝑛3Γ (11) La acción rotativa de la Tierra en su eje polar alrededor del Sol, permite establecer el tiempo solar, ya que un día solar con exactitud no es 24 horas, por la forma elíptica de la Tierra e inclinación de su eje con respecto a la eclíptica, por lo que puede existe diferencia mayor a 16 minutos. Esta diferencia se corrige con la ecuación del tiempo presentado en la ecuación (12) (Spencer, 1971).
𝐸𝑡 = 2.2918 (0.0075 + 0.1868cosΓ − 3.2077𝑠𝑒𝑛Γ
+ 1.4615cos2Γ − 4.089𝑠𝑒𝑛2Γ) (12)