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• Luis Fernando Vicente Hisbes

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FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS ESPECIALIDAD INGENIERIA QUÍMICA

TÍTULO: “REMOCIÓN DE CONTAMINANTES EN EFLUENTES DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE NANOBURBUJAS DE AIRE- OXIGENO” DOCENTE: Ing. Alexis Chapoñan

Línea de investigación: Tecnología para el tratamiento de efluentes industriales

ALUMNO: SOBRINO GARCIA JOSE LUIS

PIURA 2019-2

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INDICE INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………...1 1. ASPECTOS DE LA PROBLEMÁTICA…………………………………………...2 1.1. Descripción de la realidad problemática……………………………………..2 1.2. Formulación del problema de investigación…………………………………2 1.2.1. Problema general……………………………………………………….2 1.2.2. Problemas específicos…………………………………………………..2 1.2.3. Justificación e importancia de la investigación………………………2 1.3. Objetivos 1.3.1. Objetivo general 1.3.2. Objetivos específicos 1.4. Delimitación de la investigación 2. MARCO TEORICO 2.1. Antecedentes de la investigación 2.2. Bases teóricas 2.3. Hipotesis 2.3.1. Hipotesis General 3. MARCO METODOLOGICO 3.1. Ubicación y área de estudio 3.2. Material del estudio 3.2.1. Población 3.2.2. Muestra 3.2.3. Puntos de muestreo 3.2.4. Análisis inicial de la muestra 3.3. Diseño 3.4. Nivel 3.5. Tipo 4. ESQUEMA DEL CONTENIDO 5. ASPECTOS ADMINISTRATIVOS 5.1. Cronograma de ejecución 5.2. Presupuesto 5.3. Financiamiento 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 7. ANEXOS 7.1. Matriz de consistencia Datos y documentos desarrollados

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INTRODUCCIÓN: El agua es uno de los recursos naturales que forma parte del desarrollo de un país; es la molécula más abundante del planeta y resulta indispensable para el desarrollo de la vida. Su disponibilidad es paulatinamente menor debido a su contaminación por diversos medios, incluyendo los mantos acuíferos. Esta contaminación representa un desequilibrio ambiental, económico y social. (ROMERO.M, 2009) Es importante entender la compleja relación que existe entre el uso y la preservación de los recursos naturales en especial el agua, recurso considerado vital, pero en ocasiones generador de diversos conflictos por falta de disponibilidad. Esta situación demanda acciones responsables que conduzcan a su recuperación. El motivo principal de tratar las aguas residuales es defender la salud pública y el medio ambiente. Si las aguas residuales no son tratadas y se vierten directamente a ríos, lagos o mares, es bastante probable introducir elementos de contaminación que acaben produciendo importantes daños ecológicos en el entorno ambiental y enfermedades de salud pública (causadas por virus y bacterias) en las personas y comunidades que entren en contacto con esas aguas contaminadas. Los contaminantes en el agua tienen diferentes consecuencias en el ser humano, la presencia de microorganismos patógenos como: Bacterias coliformes, Virus, protozoos y otros organismos que transmiten enfermedades cómo el cólera, tifus, gastroenteritis diversas, hepatitis, etc. (ENERGIVERDE, 2016). En la región central del Perú, uno de los referentes en cuanto a tratamiento de aguas residuales es la provincia de Concepción que cuenta con la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales “Doris Mendoza Paredes” que emplea el método de lodos activados para su tratamiento. Siendo el agua un elemento vital para la vida y la continuidad de la especie humana, es imprescindible su conservación y empleo adecuado, por eso la necesidad de buscar métodos de tratamiento más sencillos, económicos y sobre todo, que empleen los recursos disponibles en la naturaleza de manera inteligente y creativa. En el tratamiento realizado en la PTAR de Concepción se logra reducir los indicadores de contaminación por debajo de los Límites Máximos Permisibles LMP pero a costa de un alto consumo de energía, haciéndose necesario la búsqueda de otras alternativas de tratamiento. En este proceso, se oxigenan las aguas residuales mediante sopladores y difusores de burbuja fina para promover el crecimiento de organismos biológicos que remuevan la materia orgánica, por ello se propone el método de nanoburbujeo como alternativa y antes de hacer el estudio económico primero se evalúa el comportamiento del sistema de nanoburbujeo en el tratamiento de las aguas residuales para reducir los niveles de contaminación, para lo cual se instala un tanque reactor con un sistema de generación de nanoburbujas por el método de Venturi, con una capacidad de 1 m3 de agua residual, encontrándose una efectividad del 79,92% en la remoción de la DQO, tomado éste como principal indicador de contaminación, en un tiempo de 8 horas de inyección de nanoburbujas.

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1. ASPECTO DE LA PROBLEMÁTICA 1.1. Descripción de la realidad problemática: Actualmente las aguas tratadas residuales son dispuestas al canal de riego más cercano, así como también al mar (SEDALIB S.A, 2009) El tratamiento anaeróbico en las aguas residuales, es generalmente lento debido a la presencia de contaminantes no biodegradables y en algunos caso muy tóxicos. Por otra parte los procesos físico-químicos pueden producir un lodo altamente tóxico. Las características de estas aguas residuales con alto nivel de toxicidad, con altas concentraciones de contaminantes se deben a la generación de efluentes durante actividades industriales que son arrojados al alcantarillado sin previo tratamiento y estos a través de un sistema de alcantarillado son transportados a la planta Municipal de tratamiento en Trujillo. Por lo tanto no pueden ser eliminados en su mayoría por estos procesos convencionales. Siendo está una preocupación por parte de la población del distrito de Trujillo, pues las descargas en sus mayores porcentajes son desembocan en el mar, generando impactos negativos al medio ambiente por la mayoría se realizan actividades de recreación, pesca, etc. Con la aprobación del D.S. N° 003-2010-MINAM entraron en vigencia, a partir del 17 de marzo del 2010, los Límites Máximos Permisibles para efluentes de PTAR. Este decreto establece la obligatoriedad de los titulares de las PTAR a realizar el monitoreo de sus efluentes. este debe especificar la ubicación de los puntos de control los métodos y las técnicas adecuadas así como los parámetros y frecuencia de muestreo para cada uno de ellos. (OMA, 2013). De acuerdo a esta norma, los métodos tradicionales de tratamiento no son suficientemente eficientes como para eliminar por completo en menos tiempo los contaminantes emergentes y poder cumplir con los estrictos estándares nacionales de calidad ambiental para el agua. Entre las diversas tecnologías emergentes, el avance de la nanotecnología es potencialmente increíble para la remediación de aguas residuales y otros problemas medioambientales (Gelover, 2015). La aplicación de la nanotecnología se ha citado, en diferentes literaturas, como uno de los procesos más avanzados para el tratamiento de aguas residuales. Por lo tanto por medio de este trabajo de investigación se comprobará que la nanotecnología a través nanoburbujas de aire-oxígeno puede disminuir los agentes contaminantes.

1.2. Formulación del problema de investigación 1.2.1. Problema General ¿cómo es la remoción de contaminantes en efluentes de tratamientos de aguas residuales mediante nanoburbujas de aire- oxigeno? 1.2.2. Problemas específicos - ¿Cómo mejoran los parámetros químicos (DBO y la DQO) después de la aplicación de micro-nano burbujas de ozono y aire? - ¿Cómo mejoran los parámetros físicos (conductividad eléctrica, pH, SS y turbiedad) después de la aplicación de micro-nano burbujas de ozono y aire?

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1.2.3. Justificación e importancia de la investigación La operación y mantenimiento de las aguas residuales tienen notables problemas medioambientales, de la cual el sistema de infiltración de nanoburbuja tiene especial información. Mediante la aplicación de nanoburbujas de aire-oxígeno en el tratamiento de aguas residuales de la Ciudad de Trujillo, las cuales son descargadas al mar, se pretende disminuir contaminantes tales como: materia orgánica, SST, coliformes fecales, metales pesados, etc., para cumplir con los límites máximos permisibles que la normativa peruana exige. Para esto, se debe obtener una eficiencia remoción alta en un corto tiempo. La razón de este proyecto se basa principalmente en el análisis de la eficiencia de nanoburbujas aire-oxígeno relacionada con un alto porcentaje de remoción de agentes contaminantes en un tiempo de 20 minutos. Además, está investigación será útil en la profundización del estudio de nanoburbujas y la reducción de la contaminación ambiental.

1.3. Objetivos 1.3.1. Objetivo general ANALIZAR REMOCIÓN DE CONTAMINANTES EN EFLUENTES DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE NANOBURBUJAS DE AIRE- OXIGENO

1.3.2. Objetivos específicos -

Determinar el porcentaje total de remoción la DBO, DQO, metales pesados y coliformes fecales.

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Determinar el porcentaje de remoción la DBO, DQO, metales pesados y coliformes fecales con diferente tiempo.

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Comparar los valores obtenidos con los límites máximos permisibles, según la normativa peruana.

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2. MARCO TEÓRICO

2.1.ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

2.1.1. Antescedentes Nacionales Díaz Iglesias, L. A. (2019) en su título “Determinación de la eficiencia de remoción de contaminantes en efluentes de tratamiento de aguas residuales Covicorti mediante nanoburbujas de aire-oxígeno” pudieron sustentar que existen notables problemas medioambientales vinculados al uso y la gestión del agua, es por esto que las industrias buscan tecnologías limpias e innovadoras con mayor eficiencia en la descontaminación en el tratamiento de aguas residuales. Por ello el objetivo de esta investigación se basa principalmente en la aplicación de nanoburbujas aire-oxígeno en laboratorio, determinando la eficiencia en la remoción de contaminantes en el tratamiento de aguas residuales de Covicorti en la Ciudad de Trujillo y comparar los valores obtenidos con los límites máximos permisibles, según la Normativa Peruana referente a aguas usada para uso recreativo y para cultivo. La experimentación del trabajo de investigación se realizó con una muestra del efluente de la Laguna Aereada-Facultativa Covicorti las cuales fueron tratadas en laboratorio, en un sistema generador de nanoburbujas compuesta por una bomba de 0.5 HP, generador de aire con conexión al cilindro de oxígeno medicinal con 110 psi. Se analizó el efecto de las nanoburbujas de aire-oxígeno sobre las concentraciones de OD, DQO, DB5, coliformes termotolerantes y metales pesados (Pb,Cd,Fe,Cu,Zn,Cr,Mn,Ba,Al,Hg). Los resultados obtenidos, mostraron que el tratamiento con nanoburbujas de aire-oxígeno durante un tiempo de 20 minutos, disminuyó la concentración de OD, DOO, DBS y metales pesados en casi un 20%, además de coliformes termotolerantes en 63,10%. Reyes Gamarra, R. (2016) en su tesis “ Eficiencia de micro-nanoburbujas para el tratamiento de aguas servidas en Puerto Bermúdez, Oxapampa, Pasco”, evaluaron que los vertimientos de aguas servidas afectan los cuerpos de agua, a la salud pública y como también a los diferentes ecosistemas sin tener ningún tipo e tratamiento; por ello se plantea un tratamiento diferente y eficaz para la minimización de los coliformes totales presentes en estas aguas con la generación de micronanoburbuja, como tambien determinar el grado de contaminación de los diferentes parámetros ya sea físicos, químicos y también biológicos y su minimización en sus impactos para obtener un mejor calidad de vida. El montaje experimental se llevó a cabo en el los laboratorios de la Universidad Cesar Vallejo con los efluentes del lugar de estudio; Puerto Bermúdez, Oxapampa. El procedimiento experimental inicia en el armado del generador de micro-nanoburbuja para la realización del tratamiento por dosificación; por lo tanto de determina los análisis respectivos para determinar el grado de contaminación y así tratarlas con micro-nanoburbujas en diferentes cantidades y asi tener el mejor resultado. Los análisis posteriores al tratamiento con micro-nanoburbuja fueron favorables y así tener aguas de mejor calidad. Los parámetros de contaminación de las aguas servidas determinados fueron reducidos con un gran porcentaje de eficiencia. 7

Cruz Pascacio, R. E. (2016) en su tesis ¨Reducción de coliformes presentes en aguas residuales domésticas mediante micro-nanoburbujas de aire-ozono en el distrito de Carhuaz, Ancash 2016¨ la investigación de este proyecto tuvo como objeto principal, Reducir los coliformes fecales y coliformes totales mediante la aplicación de micronanoburbujas de aire-ozono en laboratorio, presentes en las aguas residuales domésticas del distrito Carhuaz, Ancash 2016. Los tratamientos se llevaron a cabo empleando el generador de micronanoburbujas de aire-ozono de ECONANOTEC, con un caudal de 4.67 L/min. El tamaño promedio de las micro-nanoburbujas fue de 6.74 µm. Aplicando la técnica ; se logró reducir la concentración de coliformes presentes en aguas residuales domésticas, luego de aplicar las micro-nanoburbujas de aire-ozono, se obtuvo que, en el Tratamiento 1 ; la reducción estuvo entre los 1000-4500 NMP/100ml. Es así que se logró determinar la eficiencia de reducción de coliformes fecales y totales en aguas residuales domésticas, mediante la aplicación de micro-nano burbujas de aire-ozono, el promedio de la eficiencia de reducción para coliformes fecales es de 99.58% y para coliformes totales del 99.01 %. Se logró mejorar parámetros físicos y químicos en los 3 Tratamientos, los tiempos empleados son de 6min y 20 min para tratar el efluente, las concentraciones finales mejoraron notoriamente después de aplicar las micro-nanoburbujas de aire-ozono. Concluyéndose que la aplicación de esta técnica fue eficiente, ya que permitió la reducción de los coliformes y la mejora de las características físicas y químicas de las aguas residuales domésticas.

Ventura Cueva, S. P. (2017) en su proyecto “Tratamiento de sanguaza de pescado del mercado de ancón utilizando micro - nanoburbujas de aire a escala laboratorio” el propósito de esta investigación fue reducir las concentraciones de los parámetros físicos y químicos de las aguas de Sanguaza, provenientes de los puestos de pescado que se encontraron en el mercado de Ancón; tomándose dos puntos de muestreo, los ensayos experimentales se realizaron en el laboratorio de la Universidad César Vallejo, donde se utilizó el generador de micro-nano burbujas de aire; trabajando con una presión de 90 PSI y un caudal de 6.60 L/min. Las muestras tratadas se tomaron en tiempos de 30 min, 45 min y 60 min. Posteriormente se analizaron las aguas luego del tratamiento en los mismos laboratorios, hallando parámetros físicos (Turbidez y Temperatura) y Parámetros químicos (potencial de Hidrógeno, DQO y DBO5); todos estos resultados fueron procesados y analizados en el programa estadístico SPSS y Excel. Se realizaron 5 repeticiones, con diferentes concentraciones de muestras, siendo la más resaltante la Repetición N° 4, donde se obtuvo porcentajes de eficiencia para cada parámetro; disminuyendo así la Turbidez en un 78.7%, la DBO5 en un 45.12%, la DQO en un 44.03%, también se obtuvo un potencial de Hidrógeno neutro (7); trabajando con una temperatura ambiente de 20.15 °C. Concluyendo así, que las Micro-nanoburbujas logran reducir de una manera eficaz las concentraciones de los parámetros de las aguas de sanguaza.

2.1.2. Antescedentes Internacionales 8

Macassi Allasi, G. C. (2017) en su tesis “Comportamiento del sistema de nanoburbujeo en el tratamiento para reducir los niveles de contaminación de aguas residuales domésticas de la provincia de Concepción” evalúa la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales PTAR de la provincia de Concepción usa el método de lodos activados para la eliminación de la carga orgánica de las aguas residuales. Cuando el agua llega al tanque sedimentador, se emplean difusores de burbuja fina para promover el crecimiento de organismos biológicos que remuevan substancialmente la materia orgánica, al final del proceso las aguas se encuentran por debajo de los Límites Máximos Permisibles LMP para la DQO, DBO y sólidos totales, tomados como los principales indicadores de contaminación. Se plantea como una propuesta alterna viable el empleo de nanoburbujas para suministrar oxígeno al sistema, para esto se toman las muestras del tanque sedimentador, antes de pasar al sistema de aireación, donde las aguas superan los LMP para la DQO, DBO y sólidos totales en 88, 59 y 138 mg/L respectivamente. A partir de este proceso, se propone un tratamiento alternativo con nanoburbujas y se evalúa el comportamiento del sistema de nanoburbujeo en el tratamiento de las aguas residuales para reducir los niveles de contaminación. Para realizar la evaluación se emplea el método del tubo Venturi, diseñado con la relación de 1/3 del diámetro de la tubería convergente, para generar las nanoburbujas, acompañado de una electrobomba sumergible y las tuberías de recirculación que en conjunto componen el sistema de nanoburbujeo, donde se produce la cavitación hidrodinámica y la implosión de burbujas. El sistema se instala en un contendor de plástico donde el agua residual debe permanecer con el volumen constante de 1 m3, regulado con una válvula de paso, la alimentación desde el tanque sedimentador se realiza por sifonamiento ya que el tanque, denominado como reactor, se ubica en la base exterior del tanque sedimentador. La evaluación del nanoburbujeo se hace con tiempos de inyección de 2, 4, 6, 8 y 10 horas con un flujo de agua residual regulado. Para 2 horas de inyección de aire el caudal de ingreso y salida de agua residual del tanque fue 0,1389 L/s, con un bajo porcentaje de remoción de la DQO de 0,87%; para las 8 horas de inyección de aire con un caudal de 0,0347 L/s se alcanzó el porcentaje máximo de remoción de la DQO, alcanzando el 79,92% y; para 10 horas con un flujo de 0,0278 L/s no hubo un incremento significativo en la remoción comparado con los valores alcanzados a las 8 horas de operación, por lo que se concluye que no existirá más remoción. La remoción se debe a la implosión del oxígeno del aire dentro de las células o moléculas de la materia orgánica, ya que las nanoburbujas permanecen un promedio de 4 - 8 horas en la capa líquida y por la energía electroestática los virus y bacterias son atraídos a su entorno y al estallar las nanoburbujas se generan radicales libres siendo automáticamente destruidos destruyéndose también las paredes celulares y las moléculas orgánicas. Hernandez Ortiz, C. A. (2019) en su título “Efectos de Micro y Nano Burbujas en Tratamientos de Aguas Residuales Domésticas: El caso de Pasca, Cundinamarca” El proceso de inyección de micro y nano burbujas en el agua residual de la laguna de oxidación del municipio de Pasca, incrementa la cantidad y tiempo de permanencia de oxígeno disuelto en el agua, gracias a las propiedades físicas y químicas que tienen estas burbujas y su reducción entamaño.Es importante resaltar que la inyección de micro y nano burbujas no es un tratamiento completo para tratar el problema de eutrofización y estas por sí mismas no mejorarán la eficiencia de la laguna de oxidación.Laacción obtenida es la activación 9

biológica de microorganismos aeróbicos, los cuales fueron inoculados previamente, acelerando la degradación de la materia orgánica y disminuyendo la acción de los procesos anaeróbicos al compararse con un blanco (ensayo sin inyección de micro y nano burbujas). El sistema de tratamiento de aguas residuales del municipio de Pasca, recibe un caudal aproximado de 0.9 l/s (litros/segundo), presenta un periodo de retención de 15 días y una remoción de carga orgánica casi nula. En esta investigación se aplicó la inyección de micro y nano burbujas de aire en tres muestras de agua de 25 litros cada una, por dos minutos, ( procedimiento se repetía cada 4 horas durante 10 días), logrando como resultados la descontaminación del agua residual, reflejada en una reducción de los parámetros cómo DQO, nitritos, nitratos, Sólidos disueltos totales, Sólidos sedimentables, oxígeno disuelto, saturación de oxígeno, conductividad y pH, evaluados consiguiendo una reducción del 75% de la carga inicial, la muestra testigo o blanco disminuyo su carga organica en el mismo periodo en un 8%. Nuñez Álvaro, T. A. (2017) en su tesis “Tratamiento de aguas residuales de una Embotelladora de Bebidas Carbonatadas aplicando nanoburbujas de aire” el presente proyecto tuvo como objetivo general demostrar en el tratamiento de las aguas residuales de una embotelladora de bebidas carbonatadas la influencia de la aplicación de las nanoburbujas de aire. A través de esta investigación se pretende disminuir los parámetros de DBO5 y DQO con la aplicación de las nanoburbujas de aire, tomando en consideración los parámetros de campo que determinan la calidad del agua de pH, temperatura, conductividad eléctrica y turbidez, para determinar el estado en el que se encuentra el agua residual. La metodología utilizada fue pre experimental y de tipo aplicada. Se aplicaron las nanoburbujas de aire en las 3 muestras de 20 litros de agua residual de la Embotelladora de Bebidas Gaseosas, de las cuales se extrajeron 2 muestras: una a los 45 minutos y otra a los 90 minutos después de haber comenzado el tratamiento. Los resultados mostraron que el tratamiento con las nanoburbujas logró reducir de manera significativa la concentración de conductividad en un 8.4%, la concentración de turbidez en un 71,97%, la concentración de DBO5 en un 99.89% y la concentración de DQO en un 99.13%. Menendez Ortiz, D. V. (2017) en su investigación “Eficiencia de las micro-nano burbujas de ozono-aire para mejorar la calidad de las aguas residuales hospitalarias, Lima 2017” la evaluacion de este proyecto se tuvo que dar frente a la necesidad de hallar alternativas eficientes para el tratamiento de aguas residuales hospitalarias, es importante investigar y desarrollar técnicas de tratamiento para estos efluentes que sean viables y puedan ser aplicados en el Perú. Las aguas residuales hospitalarias son medios de transporte de muchos contaminantes como materia orgánica, microorganismos patógenos, medicamentos entre otros. El Tratamiento de los efluentes domésticos son costosas y poco eficientes, por lo que justifica investigar nuevas técnica que sean más eficientes y ambientalmente sostenibles. La evacuación de efluentes sin tratamiento es la principal causa de la degradación de la calidad de las aguas. Los efluentes hospitalarios representan un problema particular, al contener contaminantes emergentes (medicamentos). Con el presente estudio, se busca en reducir parámetros físicos, químicos y biológicos, mediante el uso de micro-nano burbujas de ozono

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y aire. Para posteriormente comparar los resultados con los Estándares Nacionales de calidad de agua categoría tres. Mendez Cardoza, R. K. (2017) “Reducción de DQO y materia orgánica usando micro nano burbujas de aire en agua contaminada con amoxicilina a nivel laboratorio” el propósito de la presente investigación fue reducir la concentración de demanda química de oxígeno y materia orgánica de agua contaminada con amoxicilina a nivel laboratorio mediante la aplicación de micro-nano burbujas de aire, 2017. El método que se utilizó fue pre-experimental y la validación de los instrumentos se realizó a juicio de 4 expertos. Luego de tener los datos recolectados, éstos fueron procesados y analizados en el programa estadístico SPSS y en Excel. Se elaboraron 3 muestras con 3 diferentes concentraciones de amoxicilina por litro de agua desionizada, las concentraciones de amoxicilina fueron de 0.5g/L, 1 g/L y 2.5 g/L, se realizaron 3 tratamientos en los periodos de 15 (T1), 30 (T2) y 45 (T3) minutos. En los análisis de las muestras elaboradas se obtuvieron concentraciones de DQO de 508.6 mg/L (M1), 711.8 mg/L (M2) y 1582.6 mg/L (M3) y concentraciones de materia orgánica de 531.7 mg/L O2 (M1), 703.4 mg/L O2 (M2) y 752.6 mg/L O2 (M3), lo cual se considera por sus concentraciones como muestras contaminadas. Se obtuvieron porcentajes de reducción de DQO de 76.9% (M1), 56.3% (M2), 68.6% (M3) y porcentajes de reducción de materia orgánica de 65.8% (M1), 55.7% (M2), 40.9% (M3) después de los tratamientos. Por tanto se demostró que las micro-nano burbujas lograron reducir la DQO y materia orgánica. 2.2.Bases Teóricas 2.2.1. Aguas Residuales A continuación se presenta algunos conceptos sobre la variable de aguas servidas para una mayor comprensión del tema. Las aguas servidas son fluidos procedentes de los vertidos cloacales que son dirigidos a un cuerpo de agua a través de tuberías de desagües, estos fluidos contienen materia orgánica, fecal y orina. Son aquellas aguas cuyas características originales han sido modificadas por actividades humanas y que por su calidad requieren un tratamiento previo, antes de ser reusadas, vertidas a un cuerpo natural de agua o descargadas al sistema de alcantarillado. (OEFA, 2014). Tambien podemos decir que, son aguas cuya composición variada provienen de descargas municipales, industriales, comerciales, de servicios agrícolas, pecuarios, incluyendo fraccionamientos y en general de cualquier otro uso humano, que hayan sufrido alteraciones en su calidad original (ANA, 2013). 2.2.1.1. Aguas Residuales Industriales Las aguas residuales industriales (incluidas las aguas residuales agroindustriales) son efluentes que resultan de actividades humanas que están asociadas con el procesamiento y fabricación de materias primas. Estos flujos de aguas residuales surgen de lavado, cocción, enfriamiento, calentamiento, extracción, subproductos de reacción, separación, transporte y control de calidad que producen el rechazo del producto (Wun, 2006, p. 2). 11

Las aguas residuales industriales son el resultado proveniente del desarrollo de un proceso que elabora productos, abarcando también las aguas residuales provenientes de otras actividades como: agrícola, agroindustrial, minera, energética, etc. (OEFA, 2014). 2.2.1.2. Aguas Residuales Domésticas Las aguas residuales domésticas, son aquellas de origen residencial, comercial e institucional que contienen desechos fisiológicos y otros provenientes de la actividad humana y deben ser dispuestas adecuadamente. (MlNAM, 2014). 2.2.1.3. Aguas Residuales Tratadas Aguas servidas sometidas a tratamiento de remoción de los contaminantes, a través de métodos biológicos o fisicoquímicos en donde el efluente del sistema de tratamiento cumple los parámetros medioambientales. 2.2.1.4. Aguas Negras (AN) Son aguas residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas que transportan excrementos humanos y orina, ricas en sólidos suspendidos, nitrógeno y coliformes fecales. 2.2.1.5. Aguas Grises (AG) Son aguas residuales provenientes de tinas, duchas, lavamanos y lavadoras, que aportan sólidos suspendidos, fosfatos, grasas y coliformes fecales, excluyendo las de los inodoros 2.2.1.6. Aguas Pluviales (PL) También llamadas de lluvia, son aguas originadas a partir de la precipitación atmosférica. 2.2.2. Caracteristicas Fisicas, Quimicas y biológicas de las Aguas Residuales 2.2.2.1.Características Físicas La característica física más importante del agua residual es el contenido total de sólidos, término que engloba a la materia en suspensión, la materia sedimentable, la materia coloidal y la materia disuelta. Otras características físicas importantes son el olor, la temperatura, la densidad, el color y la turbiedad. a) Sólidos Totales Analíticamente, se define el contenido de sólidos totales como la materia que se obtiene corno residuo después de someter al agua a un proceso de evaporación entre los 103 °C y 105 °C. No se define como solida aquella materia que se pierde durante la evaporación debido a su alta presión de vapor. Los sólidos sedimentables se definen como aquellos que se sedimentan en el fondo de un recipiente de forma cónica (cono de Imhoff) en el transcurso de un periodo de 60 minutos. Los sólidos sedimentables, expresados en unidades de ml/L, constituyen una 12

medida aproximada de la cantidad de fango que se obtendrá en la decantación primaria del agua residual (Metcaff & Eddy, 1995). Los sólidos totales pueden clasificarse en filtrables o no filtrables (sólidos en suspensión) haciendo pasar un volumen conocido de líquido por un filtro. b) Olores Normalmente, los olores son debidos a los gases liberados durante el proceso de descomposición de la materia orgánica. El agua residual reciente tiene un olor peculiar, algo desagradable, que resulta más tolerable que el del agua residual séptica. El olor más característico del agua residual séptica es debido a la presencia del sulfuro de hidrogeno que se produce al reducirse los sulfatos y sulfitos por acción de microorganismos anaerobios. La problemática de los olores está considerada como la principal causa de rechazo a la implantación de instalaciones de tratamiento de aguas residuales. c) Temperatura Las temperaturas de las aguas residuales suelen ser siempre más elevadas que la del agua de suministro, esto principalmente debido a la incorporación de aguas caliente procedente de casas y los diferentes usos industriales. La temperatura del agua es un parámetro muy importante dada su influencia, tanto sobre el desarrollo de la vida acuática, como sobre las reacciones químicas y velocidades de reacción, así como sobre la aptitud del agua para ciertos usos útiles. d) Color Históricamente, para la descripción de un agua residual, se empleaba el término condición junto con la composición y la concentración. Este término se refiere a la edad del agua residual, que puede ser determinada cualitativamente en función de su color y su olor. El agua residual reciente suele tener un color grisáceo; sin embargo, al aumentar el tiempo de transporte en las redes de alcantarillado y al desarrollarse condiciones más próximas a las anaerobias, el color del agua residual cambia gradualmente de gris a gris oscuro, para finalmente adquirir color negro. Llegado este punto, surge clasificarse el agua residual corno séptica; algunas aguas residuales industriales pueden añadir color a las aguas residuales domésticas. e) Turbidez La turbiedad, como medida de las propiedades de transmisión de la luz en el agua, es otro parámetro que se emplea para indicar la calidad de las aguas vertidas o de las aguas naturales en relación con la materia coloidal y residual en suspensión. La medición de la turbiedad se lleva a cabo mediante la comparación entre la intensidad de la luz dispersada en la muestra y la intensidad registrada en una suspensión de referencia en las mismas condiciones. 13

2.2.2.2. Características Químicas El estudio de las características químicas de las aguas residuales se aborda en los siguientes: la materia orgánica, la materia inorgánica y los gases presentes en el agua residual. El hecho de que la medición del contenido en materia orgánica se realice por separado viene justificado por su importancia en la gestión de la calidad del agua y en el diseño de las instalaciones de tratamiento de aguas. a) Materia Orgánica Cerca del 75% de los sólidos en suspensión y del 40% de los sólidos filtrables de un agua residual de concentración media son de naturaleza orgánica. Son sólidos que provienen de los reinos animal y vegetal, así como de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos están formados normalmente por combinaciones de carbono, hidrogeno y oxígeno, con la presencia, en determinados casos, de nitrógeno. También pueden estar presentes otros elementos como azufre, fosforo o hierro. Los principales grupos de sustancias orgánicas presentes en el agua residual son las proteínas (40 - 60%), hidratos de carbono (25 - 50%) y grasas y aceites (10%). Otro compuesto orgánico con importante presencia en el agua residual es la urea, principal constituyente de la orina; no obstante, debido a la velocidad del proceso de descomposición de la urea, raramente está presente en aguas residuales que no sean muy recientes. b) Materia Inorgánica Son varios los componentes inorgánicos de las aguas residuales y naturales que tienen importancia para la determinación y control de la calidad del agua. Las concentraciones de las sustancias inorgánicas en el agua aumentan tanto por el contacto del agua con las diferentes formaciones geológicas, como por las aguas residuales tratadas o sin tratar, que a ella se descargan. Las aguas naturales disuelven parte de las rocas y minerales con los que entran en contacto. Las aguas residuales, salvo el caso de determinados residuos industriales, no se suelen tratar con el objetivo específico de eliminar los constituyentes inorgánicos que se incorporan durante ciclo de uso. Las concentraciones de constituyentes inorgánicos aumentan, igualmente, debido al proceso natural de evaporación que elimina parte del agua superficial y deja las sustancias inorgánicas en el agua. Puesto que las concentraciones de los diferentes constituyentes inorgánicos pueden afectar mucho a los usos del agua, conviene examinar la naturaleza de algunos de ellos, especialmente aquellos que han sido incorporados al agua superficial durante su ciclo de uso , como por ejemplo los cloruros, la alcalinidad, el nitrógeno, el azufre, algunos otros 14

compuestos tóxicos inorgánicos y algunos metales pesados como el níquel, el manganeso, el plomo el cromo, el cadmio, el zinc, el cobre, el hierro y el mercurio. c) Gases Los gases que con mayor frecuencia se encuentran en las aguas residuales brutas son el nitrógeno (N2), el oxígeno (O2), el dióxido de carbono (CO2), el sulfuro de hidrogeno (H2S), el amoniaco (NH3) y el metano (CH4). Los tres primeros son gases de común presencia en la atmósfera, y se encuentran en todas las aguas en contacto con la misma y los tres últimos proceden de la descomposición de la materia orgánica presente en las aguas residuales. Si bien no se encuentran en el agua residual sin tratar, existen otros gases con los cuales debe estar familiarizado el profesional. Tal es el caso, por ejemplo, del cloro (Cl2) y el ozono (O3) (desinfección y control de olores), y los óxidos de azufre y nitrógeno (proceso de combustión). 2.2.2.3. Características Biológicas Para el tratamiento biológico se deben de tomar en cuenta las siguientes características del agua residual: principales grupos de microorganismos biológicos presentes, tanto en aguas superficiales como en residuales, así como aquellos que intervienen en los tratamientos biológicos; organismos patógenos presentes en las aguas residuales; organismos utilizados como indicadores de contaminación y su importancia. a) Microorganismos Los principales grupos de organismos presentes tanto en aguas residuales como superficiales se clasifican en organismos eucariotas, eubacterias y arquebacterias; la mayoría de los organismos pertenecen al grupo de las eubacterias. La categoría protistas, dentro de los organismos eucariotas, incluye las algas, los hongos y los protozoos. Las plantas tales como los helechos, los musgos, las plantas hepáticas y las plantas de semilla están clasificados como eucariotas multicelulares. Los vertebrados y los invertebrados están clasificados como animales eucariotas multicelulares; los virus, también presentes en el agua residual, se clasifican en función del sujeto infectado. b) Organismos Patógenos Los organismos patógenos que se encuentran en las aguas residuales puedan proceder de deshechos humanos que estén infectados o que sean portadores de una determinada enfermedad. Las principales clases de organismos patógenos presentes en las aguas residuales son, las bacterias, los virus, protozoos y el grupo de los helmintos. Los organismos bacterianos patógenos que pueden ser excretados por el hombre causan enfermedades del aparato intestinal como la fiebre tifoidea, paratifoidea, la disentería, diarreas y cólera. Debido al alto grado de infección de estos organismos, cada año son responsables de gran numero da muertes en países con escasos recursos sanitarios, especialmente en zonas tropicales. 15

c) Organismos Indicadores Los organismos patógenos se presentan en las aguas residuales y contaminan en cantidades muy pequeñas y además, resultan difíciles de aislar y de identificar. Por ello se emplea al organismo coliforme como indicador, puesto que su presencia es más numerosa y fácil de comprobar. Se considera que la presencia de coliformes puede ser un indicador de la posible presencia de organismos patógenos, y que la ausencia de ellos es un indicador de que las aguas están libres de organismos que puedan causar enfermedades. Las bacterias coliformes incluyen los géneros Escherichia y Aerobacter. El uso de los coliformes como organismos indicadores es problemático debido a que la Aerobacter y ciertas clases de Escherichia pueden crecer en el suelo; por lo tanto, la presencia de coliformes no siempre es sinónimo de contaminación con residuos humanos; no obstante, aunque parece ser que las Escherichia coli son de origen exclusivamente fecal, la dificultad de determinar la E. coli sin incluir los coliformes del suelo hace que se use todo el grupo de los coliformes como indicador de la contaminación fecal. 2.2.3. Nanoburbujas Son burbujas que poseen una dimensión por debajo a 100 nm y además cuentan con diámetros de soporte mayores a 1000 nm (Ferrari, 2013). Son burbujas más pequeñas y tienden a contraerse más rápido al ingresar al agua, es por ello que aquellas con dimensiones en nanoescala se desvanecen de forma repentina. Pese a ello, nuestros análisis prácticos han propuesto que las nanoburbujas se conciben cuando las microburbujas se derrumban en mezclas acuosas del electrolito (Tsuge, 2014) Características de las nanoburbujas a) Diámetro de la Burbuja El tamaño de las Micro y Nanoburbujas es generalmente en unidades µm; depende del campo de trabajo, es decir, 10-40 µm para el campo de bioactividad y menos de 100 µm para lo que se refiere a la física fluida (Tsuge, 2014) b) Presión Interna Usando la ecuación de Young-Laplace, la presión en una burbuja cuyo diámetro es d aumenta la presión circundante debido a la tensión superficial σ. Con el tamaño de burbuja decreciente, la presión en la burbuja aumenta. Con el tamaño de burbuja decreciente, la presión parcial del componente de gas disuelto, es decir, la fuerza motriz de la disolución, aumenta y el gas se disuelve fácilmente (Tsuge, 2014). Temperatura La temperatura cuenta con tres escalas representativas, Escala de Kelvin, °K; Escala de Celsius, °C; y Escala Fahrenheit, °F. Se destaca que el punto de enfriamiento del agua es de 32°F y el punto de hervor del agua es de 212°F; el punto de enfriamiento del agua en 16

la Escala Celsius es de 0°C y el punto de hervor del agua es del 100°C; y por último en la Escala Kelvin, el 0°K representa el cero absoluto, la temperatura más baja alcanzada, mientras que el punto de enfriamiento del líquido es de 273K.15 °K y el punto de hervor del líquido es del 373.15 °K (Moeller, 1980) Es un componente que participa en la regulación de los procesos naturales en el medio marino, por medio del cual se determina el desarrollo de las propiedades físicas, químicas y biológicas (Bureau, 2008) 2.2.4. Tratamiento de Aguas Residuales Está destinado a la preparación o acondicionamiento de las aguas residuales con el objetivo específico de proteger las instalaciones, el funcionamiento de las obras de tratamiento y eliminar o reducir las partículas sólidas que podrían causar problemas en los procesos físicos o biológicos (Aragón Cruz, 2009), los cuales mediante estos tratamientos previos Consiste en un conjunto de operaciones unitarias que pueden ser de tipo físico, químico o biológico, que tiene como objetivo la disminución de las concentraciones de los contaminantes o los componentes indeseables presentes en el agua, ya sea de origen natural, de abasto, de procesos o residuales (DISEPROSA, 2014, p. 3) 2.2.4.1. Tratamiento Primario El objetivo del tratamiento primario es la remoción de sólidos orgánicos e inorgánicos sedimentables, siendo poco efectivo en la eliminación de la materia orgánica que puede representar entre el 25% y el 40% de la DBO y entre el 50% y el 65% de los sólidos suspendido. Los sólidos removidos en el proceso tienen que ser procesados antes de su disposición final. Los procesos del tratamiento primario para las aguas residuales pueden ser: Tanques Imhoff, tanques de sedimentación y tanques de flotación. (Rojas, 2002)

a) Tanques Imhoff Son tanques de sedimentación primaria en los cuales se incorpora la digestión de lodos en un compartimiento localizado en la parte inferior, tienen como finalidad la remoción del 40 al 50% de sólidos suspendidos (SST) y reduce la DBO de 25% a 35% para luego pasar el material por el tratamiento secundario o biológico. (Rojas, 2002) En la Figura 2.1 se muestran las características del Tanque Imhoff. Debido a esta baja remoción de la DBO y coliformes, lo que se recomienda es enviar el efluente hacia una laguna facultativa para que haya una buena remoción de microorganismos (CEPIS/OPS, 2005). Las aguas residuales entran a una cámara de sedimentación, donde se remueven los sedimentos y se resbalan por las paredes inclinadas. Cuando el material comienza a resbalar con destino al fondo, esta pasa por una ranura con traslape, la cual entra a la cámara de digestión; el traslape desvía el material suspendido en el proceso de la digestión, hacia la cámara de natas o al área de ventilación. Estos tanques no cuentan con 17

mecanismos que requieran mantenimiento, pero sí se debe tener un régimen de cuidados con respecto a las espumas y a los lodos. Los lodos son retirados periódicamente al lecho de secado, allí se filtrará el líquido restante y el sólido permanecerá para finalmente utilizarlo para mejoramiento de los suelos (Metcaff & Eddy, 1995) Es la separación de los sólidos por gravedad; este proceso depende de los pesos específicos de los sólidos (Luna Rossi, 2010), debido a que determinará su comportamiento donde se puede utilizar la sedimentación o la flotación para separar del agua residual los sólidos en suspensión presentes en ella. Algunos sólidos que tienen el peso específico mayor al líquido que está en fase continúa, pasarán a sedimentarse (Arce Jáuregui, 2013), y las partículas que tiene peso específico menor flotarán. Se realiza en el Sedimentador Primario.

18

b) Tanques de flotación El proceso de flotación se usa en aguas residuales para remover partículas finas en suspensión y de baja densidad, usando el aire como agente de flotación. Una vez que los sólidos han sido elevados a la superficie del líquido, son removidos en una operación de desnatado; este proceso requiere un mayor grado de mecanización que los tanques convencionales de sedimentación; su uso deberá ser justificado ante el organismo competente (Rojas, 2002). 2.2.4.2. Tratamiento Secundario La reducción de los compuestos orgánicos presentes en el agua residual, acondicionada previamente mediante tratamiento primario, se realiza exclusivamente por procesos biológicos. Este proceso reduce o convierte la materia orgánica finamente dividida y/o disuelta, en sólidos sedimentables floculentos que puedan ser separados por sedimentación en tanques de decantación (Rojas, 2002). El método para este tratamiento incluye los siguientes sistemas: lagunas de estabilización, lodos activados (incluidas las zanjas de oxidación y otras variantes), filtros biológicos y módulos rotatorios de contacto (NORMA OS.090) a) Lagunas de Estabilización Las lagunas de estabilización son estanques diseñados para el tratamiento de aguas residuales mediante procesos biológicos naturales de interacción de la biomasa (algas, bacterias, protozoarios, etc.) y la materia orgánica contenida en el agua residual. b) Lodos Activados Este proceso fue desarrollado en Inglaterra en 1914 por Ardem y Lockett (Metcaff & Eddy, 1995), y su nombre proviene de la producción de una masa activada de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía aeróbica). c) Proceso de Lodos Activados En general, el proceso de lodos activos (lodos activados o fangos activados) es el sistema biológico de depuración más extendido actualmente para tratar aguas residuales, tanto domésticas como industriales y sus aplicaciones han aumentado a medida que se ha avanzado en el conocimiento de la microbiología, cinética y bioquímica relacionada con el proceso. d) Filtro Percolador Según Metcalf & Eddy (1995), el primer filtro percolador se puso en operación en Inglaterra en 1893. La idea nació del uso de estanques impermeables, donde se adicionaba una capa de piedra machacada. Después de esto, se vertían las aguas residuales por la parte superior, generando que se tenga contacto con el ambiente por cierto tiempo; luego se dejaba drenar y se dejaba en reposo antes de empezar nuevamente con el proceso. La duración de los ciclos se 19

estimaba en 12 horas, de las cuales 6 horas se empleaba para poner el material en contacto con la atmósfera (Metcaff & Eddy, 1995). El actual filtro percolador consiste en un lecho constituido por un medio permeable, donde los microorganismos se adhieren y a través del cual percola el agua residual (Metcaff & Eddy, 1995). El medio filtrante puede estar compuesto por piedras o diferentes materiales plásticos. Es muy usado el filtro de piedra el cual tiene forma circular y reparte el agua residual mediante el distribuidor rotatorio. Los filtros constan de un drenaje inferior que recolecta el agua tratada. El agua tratada pasa a un tanque sedimentador, donde se genera la separación de algunos materiales sólidos restantes; finalmente, el agua tratada pasa a ser reutilizada, mientras que los sólidos sedimentados logran generar una película biológica, la cual servirá para minimizar la carga biológica y maximizar la reducción de lodo (Metcaff & Eddy, 1995). 2.3. Hipótesis 2.3.1. Hipótesis General Mediante la inyección periódica de micro y nanoburbujas se producen altos niveles de oxígeno disuelto, permitiendo la posibilidad de una notable reducción y desimantación de los diferentes contaminantes tanto físicos, químicos y biológicos que se encuentran en los efluentes de tratamiento de agua

20

3. MARCO METODOLOGICO 3.1.Ubicación y área de estudio: La investigación se desarrolló en la Planta de Tratamiento Covicorti, ubicado al sur oeste de la Ciudad de Trujillo, donde se acondiciona los desechos del Porvenir, Trujillo y Víctor Larco. 3.2.Material de studio 3.2.1. Poblacion Lo constituye todo el efluente que sale de las celdas de las lagunas facultativas y que son desembocadas al mar. 3.2.2. Muestra Se tomó una muestra de 15 L, del efluente a la salida de las lagunas facultativas que son dispuestos al canal de riegos más cercanos o desembocados al mar, para la realización del tratamiento piloto y su estudio respectivo en laboratorioPuntos de muestreo 3.2.3. Puntos de muestreo El generador de nanoburbujas consta de una entrada y una salida, como puntos de muestreo para los análisis respectivos de las muestras 3.2.4. Analisis inicial de la muestra Tabla N° 1. Análisis fisicoquímico y bacteriológico de la muestra inicial.

Parámetro

Unidad

Valores

Físico-Químicos Demanda de Oxigeno Demanda Química de Oxigeno

mg/L mg/L

Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) Inorgánicos

mg/L

Plomo

mg/L 21

19,33 139,67 77,31

0,0128

Cadmio

mg/L

Hierro

mg/L

Cobre

mg/L

Zinc

mg/L

Cromo

mg/L

Manganeso

mg/L

Bario

mg/L

Aluminio

mg/L

Mercurio

mg/L

Plata

mg/L

0,0085 0,0115 0,0252 0,275