Caracterización de materiales orgánicos para ser empleados como medio filtrante en la depuración de aguas grises

Hola amigos de steemit, en mi primer post titulado La Biofiltración, ¡Descubre sus beneficios! presenté algunas alternativas de biofiltros domiciliares para el tratamiento de aguas grises que puedes construir en tu hogar y de ésta manera reutilizarla en otras actividades tales como limpieza, riego de plantas, lavado de autos, entre otras y así disponer mayor cantidad para consumo, especialmente hoy día que la escasez de agua es mayor.

Es por ello, que hoy quiero empezar a mostrarles una de las etapas del proyecto que estoy desarrollando actualmente, el cual tiene como propósito la construcción y evaluación de una de las alternativas presentadas, específicamente el de un humedal de flujo subsuperficial.

En este tipo de biofiltros o también llamados biojardineras, el material filtrante generalmente es de diferente granulometría y se puede emplear arena, grava y piedra. Sus principales funciones son la eliminación desólidos suspendidos, proporcionar la superficie para el desarrollo de los microorganismos encargados de degradar los contaminantes mediante procesos aeróbicos y anaeróbicos y adicionalmente constituyen el soporte para que las raíces de las plantas se desarrollen, ya que ellas ayudan a incrementar los procesos físicos de filtración y el desarrollo de microorganismos en la superficie de ellas, además de contribuir al ingreso de oxígeno en el lecho filtrante necesario para la formación de microorganismos aeróbicos.

Sin embargo, el proceso de biofiltración en los últimos años se ha estudiado también sobre material filtrante orgánico en la búsqueda de soluciones para tratar efluentes con tecnologías que necesitan muy poca intervención técnica, tecnologías simples, eficaces y de bajo costo para el tratamiento de las aguas residuales. Este proceso está basado en la capacidad que tienen ciertos medios orgánicos de actuar como resinas naturales, capaces de fijar diferentes sustancias contaminantes por mecanismos de adsorción/absorción y favorecer la implantación de microorganismos capaces de biodegradar los contaminantes retenidos^[1].

Ahora bien, tomando en cuenta que el material filtrante constituye un componente importante del biofiltro, se propuso en primer lugar la caracterización de tres materiales orgánicos para seleccionar cuál de ellos se empleará en la construcción del biofiltro y compararlo con el medio filtrante comúnmente utilizado y así evaluar otras alternativas y su eficiencia en este tipo de sistema, dándole un mayor uso a materiales de desecho.

Figura 1. Esquema de una biojardinera
Fuente: elaboración propia

Selección, recolección y tratamiento de las muestras

Los materiales orgánicos seleccionados fueron cáscara de naranja, fibra de coco y pasto seco.
La fibra de coco se seleccionó ya que constituye un desecho que se genera del consumo del coco. Es utilizada para la producción viverista y es muy estable, con una alta porosidad, alta capacidad de retención de humedad. Tiene buena resistencia mecánica, poco peso y bajo costo^[2]. Además de su alta producción en el estado Falcón, específicamente en el municipio Tocópero, lo cual facilita la adquisición, manejo y transporte del material para la presente investigación. La cáscara de naranja se seleccionó por ser un residuo abundante en el estado producto del consumo en los hogares, venta de jugos, venta de frutas y hortalizas. Es de fácil adquisición, manejo, transporte y almacenamiento. Con este residuo se han realizado varios estudios para evaluar su capacidad como bioadsorbente de iones metálicos ya que contiene celulosa, pectina, hemilcelulosa y otros compuestos de bajo peso molecular y grupos funcionales susceptibles de unirse a iones metálicos en disolución. Así como también la obtención de carbón activado. Se trabajó también con pasto seco, ya que este material es de fácil adquisición, manejo y transporte. Se genera como desecho en los hogares, jardines como producto de la poda. Material fibroso y con buena resistencia.

Las cáscaras de naranja y el coco fueron recolectados en puestos de venta de jugo ubicado en la ciudad de Punto Fijo. La selección del material se realizó manualmente tomando como requisito que se encontraran en buen estado para evitar la rápida descomposición. Luego se procedió con el pelado utilizando para ello cuchillos de acero inoxidable, para la reducción del tamaño de la materia prima para su posterior caracterización. El pasto fue recolectado en las casas al realizar la poda de jardines. Para el montaje experimental las muestras fueron sometidas a un proceso de secado al sol durante una semana.

Figura 2. Secado de los materiales orgánicos
Fuente: elaboración propia

Metodología empleada

Las muestras fueron caracterizadas en el laboratorio con la finalidad de obtener información de algunas propiedades de estos materiales relacionados con su capacidad de remoción de contaminantes y determinar los parámetros de identidad de la muestra. Los análisis realizados fueron:

Humedad: cantidad de agua presente en la muestra, su determinación se basa en la pérdida de peso de la muestra por calentamiento en una estufa refiriendo su peso al peso total de la muestra y se expresa como porcentaje. Se empleó el método gravimétrico.

Densidad aparente y Densidad real: La densidad es una propiedad básica de cualquier producto, se define como su masa por unidad de volumen. Las unidades más comunes de expresarla son g/mL y kg/m³. En el caso de materiales porosos, es necesario especificar si se trata de su densidad aparente o real. La densidad aparente viene dada por el cociente entre la masa de producto y el volumen aparente del mismo (incluyendo los huecos en el material). Se determinó por el método de la probeta. Por otro lado, la densidad real es el cociente entre la masa del producto y su volumen real (volumen excluyendo los huecos). Se determinó por el método del picnómetro.

Porosidad: expresa la capacidad que tienen determinados materiales para absorber o dejar pasar a través de sí ciertas sustancias por medio de espacios vacíos en su estructura. Su determinación se hace de manera indirecta a partir de la densidad real y aparente.

Resultados caracterización

N= 2 ± Desviación estándar
Fuente: elaboración propia

Posteriormente se determinó el tiempo de maduración del material filtrante, esta determinación se hizo necesaria ya que los materiales orgánicos generan un lixiviado de color que pueden alterar las características del agua residual que se va a tratar por lo que hay que lavarlos para eliminar dicha sustancias contenidas en los materiales. Para ello se tomó como base el procedimiento descrito por García, S. (2007)^[3]. Esta prueba requirió un montaje experimental el cual consistió en la construcción de tres biofiltros experimentales. Cada biofiltro midió 95 cm de altura con diámetro de 4”, operando con los medios filtrantes seleccionados anteriormente. El material de empaque estuvo dividido en tres capas: la primera, constituida por piedras gruesas y cuyo espesor fue de 5 cm, que tienen la función de retener el medio filtrante. La segunda capa estuvo constituida por el material filtrante, aproximadamente de 80 cm de espesor y, la última, fue una capa de grava fina cuyo espesor fue de 5 cm. Cada biofiltro constaba de un orificio en la parte de arriba que permitió la colocación del material de empaque y la alimentación del agua de lavado.

BF1: Material de empaque principal fibra de coco
BF2: Material de empaque principal cáscara de naranja
BF3: Material de empaque principal pasto seco

Figura 3. Montaje experimental para la determinación del periodo de maduración de los materiales orgánicos en estudio
Fuente: elaboración propia

Una vez que se puso en funcionamiento el sistema de biofiltros, alimentándolos con agua potable, se determinaron los parámetros físicos y químicos del agua de lavado hasta obtener valores relativamente constantes ya que todos ellos influyen en el tratamiento del agua gris. Los parámetros fueron medidos diariamente in situ con un equipo multiparámetro. Los análisis de turbidez fueron realizados según los métodos propuestos por el Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater . Se tomaron muestras en la salida de cada biofiltro para analizar un total de tres (03) muestras al inicio y al final del periodo de lavado.

Los parámetros medidos fueron:

pH: unidad de medida de la alcalinidad o acidez de una solución. La medida del pH tiene amplia aplicación en el campo de las aguas naturales y residuales. Es una propiedad básica e importante que afecta a muchas reacciones químicas y biológicas. Valores extremos de pH pueden originar la muerte de peces, drásticas alteraciones en la flora y fauna, reacciones secundarias dañinas. El pH es un factor muy importante en los sistemas químicos y biológicos de las aguas naturales.

Temperatura: magnitud que mide el nivel térmico o el calor que posee la sustancia. La temperatura de las aguas residuales y de masas de agua receptora es importante a causa de sus efectos sobre la solubilidad del oxígeno y, en consecuencia, sobre las velocidades en el metabolismo, difusión y reacciones químicas y bioquímicas. Influye en la solubilidad de los gases y las sales. Temperaturas elevadas implican aceleración de la putrefacción, con lo que aumenta la DBO y disminuye el oxígeno disuelto.

Conductividad: La conductividad eléctrica de una solución es una medida de la capacidad de la misma para transportar la corriente eléctrica y permite conocer la concentración de especies iónicas presentes en el agua. Como la contribución de cada especie iónica a la conductividad es diferente, su medida da un valor que no está relacionado de manera sencilla con el número total de iones en solución.

Sólidos totales disueltos (TDS): La medida de sólidos totales disueltos es un índice de la cantidad de sustancias disueltas en el agua, y proporciona una indicación general de la calidad química. TDS es definido analíticamente como residuo filtrable total (en mg/L). Los principales aniones inorgánicos disueltos en el agua son carbonatos, bicarbonatos, cloruros, sulfatos, fosfatos y nitratos. Los principales cationes son calcio, magnesio, sodio, potasio, amonio, etc.

Turbidez: Es una medida de la dispersión de la luz por el agua como consecuencia de la presencia en la misma de materiales suspendidos coloidales o particulados. La presencia de materia suspendida en el agua puede indicar un cambio en su calidad o la presencia de sustancias inorgánicas finamente divididas (arena, fango, arcilla) o de materiales orgánicos.

Resultados periodo de maduración de los materiales

Figura 4. Comportamiento de los parámetros pH, conductividad, temperatura y sólidos totales disueltos durante el periodo de lavado de los materiales.
Fuente: elaboración Propia

Figura 5. Comportamiento de la turbidez en el periodo de lavado
Fuente: elaboración propia

Finalmente, se determinó la compactación midiendo la altura inicial de los materiales filtrantes en los tres biofiltros empacados (etapa 1), luego se midió después del periodo de lavado (etapa 2). Se realizó la compactación acelerada del material en donde se adicionaron diferentes peso: 0.5 Kg, 1.5, y 3 Kg (etapa 3, 4 y 5), se midió nuevamente la altura y anotaron los cm compactados y se midió la compactación total.

Resultados compactación

Figura 6. Compactación de los materiales
Fuente: elaboración propia

Resumen de los resultados experimentales obtenidos en el estudio de los materiales orgánicos

En la tabla siguiente se presenta un resumen de los resultados obtenidos en cuanto a pH, conductividad, sólidos disueltos, y resistencia mecánica para los días de operación 1 y 36 que corresponden al inicio y finalización del proceso de lavado.

Fuente: elaboración propia

Análisis de los resultados

En forma general se puede observar que el material que presenta mejores características es la fibra de coco, seguido del pasto seco y cáscara de naranja, ya que los todos los valores medidos de conductividad, sólidos disueltos y turbidez al final del lavado disminuyeron considerablemente en relación al inicio del proceso. En el caso de pH sus valores aumentaron acercándose a la neutralidad y en relación a la compactación la fibra de coco y el pasto fueron los menos impactados por el lavado. Sin embargo, hay que destacar que durante el periodo de lavado se pudo observar de que a pesar de que en el BF2 y BF3, sus características fisicoquímicas mejoraron en relación a las que poseían al comienzo, las características organolépticas como el olor cambiaron notablemente y la coloración de la capa superior de los biofiltros comparándola con el agua de entrada lo cual no permiten su uso en la siguiente etapa ya que ello influiría en las características del agua residual tratada.

Algunas conclusiones

La caracterización física de los tres materiales filtrantes estudiados arrojó que el mayor porcentaje de humedad lo posee la cáscara de naranja (58,19%) en relación al pasto (48,08%) y la fibra de coco (10,03%). En cuanto a la densidad aparente, el mayor valor corresponde a la cáscara de naranja (0,38 g/mL) seguido por la fibra de coco (0,21 g/mL) y el pasto seco (0,19 g/mL), dicha tendencia también se refleja en los valores obtenidos para la densidad real.

El mayor porcentaje de porosidad determinado a partir de las densidades, se obtuvo en la fibra de coco 66,40% en relación a la cáscara de naranja de 55,24% y 30,51% para el pasto seco.

El periodo de lavado de los materiales orgánicos duro aproximadamente 36 días, observándose que los tres materiales generan lixiviados de color.

El material que presentó mejores características fue la fibra de coco, seguido del pasto seco y cáscara de naranja.

Se pudo constatar que a pesar de que en el BF2 y BF3, sus características fisicoquímicas mejoraron en relación a las que poseían al comienzo, las características organolépticas como el olor cambiaron notablemente comparándola con el agua de lavado lo cual no permiten su uso en la siguiente etapa ya que ello influiría en las características del agua residual tratada.

En función de estos resultados se seleccionó la fibra de coco como material filtrante a emplear en el biofiltro a escala piloto.

¡Hasta aquí la primera parte del estudio, espero sea de utilidad la información presentada, ahora a diseñar el biofiltro!

Referencias bibliográficas

[1]. Garzón-Zúñiga, M., Buelna, G.,Moeller-Chávez, G.(2012). La biofiltración sobre materiales orgánicos, nueva tecnología sustentable para tratar agua residual en pequeñas comunidades e industrias. Tecnología y Ciencias del Agua [Artículo en línea] (3), 153-161.

[2]. Fernández, E. y Sánchez, K. (2016). Evaluación de un lecho filtrante, utilizando mesocarpo de coco (cocos nucífera), para el tratamiento de aguas residuales de la empacadora de banano algarrobo 1, Sullana 2015 [Tesis en línea]. Universidad Señor de Sipán.

[3]. García, S. (2007). Decoloración Fúngica de efluentes industriales con colorantes azo en sistemas de biofiltración con diferentes empaques orgánicos[Tesis en línea]. Universidad Nacional Autónoma de México.