Electrocoagulación

La electroquímica es una tecnología que en las últimas décadas ha tenido muchas aplicaciones industriales y se ha desarrollado rápidamente ofreciendo varias alternativas que compiten ventajosamente con distintos procesos.El desarrollo de esta alternativa para tratar aguas residuales fue propuesto por primera vez en el Reino Unido en 1889. Más tarde, Estados Unidos en 1909 patenta la electrocoagulación como método para el tratamiento de aguas residuales empleando electrodos de aluminio y hierro. La electrocoagulación de agua potable fue aplicada por primera vez a gran escala en Estados Unidos en 1946.La electrocoagulación es un proceso que utiliza la electricidad para eliminar contaminantes en el agua que se encuentran suspendidos, disueltos o emulsificados. La técnica consiste en inducir corriente eléctrica en el agua residual a través de placas metálicas paralelas de diversos materiales, dentro de los más comúnmente utilizados están el hierro y el aluminio. La corriente eléctrica proporciona la fuerza electromotriz que provoca las reacciones químicas que desestabilizan las formas en las que los contaminantes se encuentran presentes, bien sea suspendidas o emulsificadas. Es así que los contaminantes presentes en el medio acuoso forman agregados, produciendo partículas sólidas que son menos coloidales y menos emulsificadas (o solubles) que en estado de equilibrio. Cuando esto ocurre, los contaminantes forman componentes hidrofóbicos que se precipitan y/o flotan y se pueden remover fácilmente por algún método de separación de tipo secundario.Algunos de los parámetros ya comprobados en tratamientos de electrocoagulación arrojan los siguientes datos:

Tabla 1 Porcentaje de remoción con el sistema de electrocoagulaciónParámetros % de remociónDBO > 90DQO > 90Aceites y grasas > 95Nitrógeno Total > 80Fósforo Total > 70Sólidos suspendidos > 95Coliformes Fecales > 99% (*)(*) Con la aplicación de ozono, cloro o Luz ultravioleta (UV), a la salida de la planta de tratamiento de electrocoagulación se alcanzará una concentración de salida < 50 NMP/100 ml de Coliformes Totales.

Ahora bien para realizar la electrocoagulación se necesita un depósito en donde sea colocada toda el agua que vaya a ser electro coagulada en este depósito se deben incluir el par de electrodos (ánodo y cátodo) los cuales deben estar conectados a una fuente de poder, los electrodos deben ser de aluminio, y algunos de los aspectos que se deben tomar en cuenta para la operación del proceso de electrocoagulación mayormente son dependientes de condiciones químicas, pH, tamaño de partículas del agua a tratar y especialmente de su conductividad. El tratamiento general de las aguas residuales requiere aplicaciones baja de voltaje (<50 Volts) con amperaje variable, de acuerdo a las características químicas del agua. (S.A, 2005)

Consumos de energía: Los consumos de energía varían entre 0.1 a 1.0 Kwh/m3 (dependiendo del tipo de agua a tratar).

Desgaste de electrodos: El desgaste de material está directamente relacionado con la corriente aplicada al sistema (amperaje) y el tiempo de residencia hidráulico del agua residual en la celda de electrocoagulación. Se estima un mínimo reemplazo de los electrodos de una a dos veces por año.

Para el suministro de energía al sistema, se propone una fuente de corriente directa provista para regular la corriente y el voltaje aplicado. Provista de un amperímetro y un voltímetro regular conectados en serie y paralelo respectivamente. Los electrodos deben ser conectados en paraleloCuando el aluminio actúa como ánodo las reacciones son las siguientes:En el ánodo:

Al→Al−3+3e−¿ ¿

A l−3 (ac )+3H 2O→ Al (OH )3 ( s)+3h (ac )nAl (OH )3→ Aln (OH )3n

En el cátodo:

3H 2O+3e−¿→3H 2+3OH−¿ ¿¿

Los iones Al +3 en combinación con los OH reaccionan para formar algunas especies monomericas como Al (OH)2, Al2 (OH)2, que por procesos de precipitación forman el Al (OH)3(s), la cual expone una gran área superficial con propiedades absorbentes, propiciando procesos de adsorción y atracción de partículas.El oxígeno e hidrógeno gaseosos en los electrodos, al ascender a la superficie provocan tres fenómenos: Separación rápida de coloides del electrodo. Formación de una nata en la superficie, fácilmente extraíble por medios mecánicos, debido al arrastre de coloides desestabilizados a la superficie. Se produce una agitación espontánea que evita la utilización de agitación mecánica, debido a que las burbujas de gas producen corrientes ascendentes y descendentes en la solución generando una mejor superficie de contacto y por lo tanto un aumento en la eficiencia de la desestabilización. Las condiciones de operación de un sistema de electrocoagulación son altamente dependientes de las condiciones químicas como el pH, concentración del agua industrial a tratar.

Los lodos formados pueden depositarse en la parte superior de la celda cundo su densidad es baja o precipitar cuando su densidad es alta, para luego ser removidos.

Las características ms importantes en el diseño del sistema de electrocoagulación son:

Distancia entre electrodos. Selección del electrodo de sacrifi cio Confi guración de la celda de electrocoagulación. Parámetros eléctricos como voltaje y amperaje de la fuente. Dimensiones y número de electrodos.

Densidad de corriente Reactor Tipo de electrodos Temperatura pH

Determinacion de la distancia apropiada entre electrodos.

Durante las pruebas exploratorias se observó que para separaciones entre electrodos inferiores a 10 mm los tratamientos se hacen prolongados, adicionalmente se presentaron atascamientos por deposición de lodo sobre la superfi cie de los electrodos, impidiendo la circulación del medio acuoso y la generación de turbulencias que favorecen la coagulación dandocomo resultado bajas remociones de DQO.Para distancias entre electrodos mayores a 10 mm no se presentaron cambios importantes enel proceso, en comparación con los resultados obtenidos a 10 mm.

BIOFILTRACIÓN.

Se llaman Biofiltros a los filtros biológicos que utilizan materiales orgánicos e inorgánicos como empaque (forraje, grava, arena, etc.). El residuo contaminado se esparce en la superficie del Biofiltro que escurre por gravedad en el medio filtrante quedando retenida la materia orgánica que será consumida y degradada por la actividad microbiológica (CONAMA, 2013).Los Biofiltros son reactores con distintos estratos de material soporte también llamado relleno o empaque en el cual el residuo contaminado es rociado, el líquido de desecho se limpia y se remueven los contaminantes al hacer pasar el agua a través de un sistema de; plantas, suelos o materia orgánica. Sobre la superficie del material soporte crecen diferentes comunidades microbianas en forma de biopelículas que toman todos sus nutrientes del residuo líquido (Eweis, Ergas, Chang, & Schroeder, 1999).La tecnología de Biofiltración es un tratamiento sencillo e independiente de tratamientos previos, no es necesario añadir nutrientes u otros aditivos. Es importante que el sistema cuente con las características que permitan la supervivencia de los organismos vivos que habitan en el Biofiltro.A continuación se presenta un esquema genérico de un biofiltro

Ilustración 1 Biofiltro

Un biofiltro puede ser construido en forma de columna para pequeñas cantidades a filtrar; sin embargo a gran escala un biofiltro consiste en una piscina compuesta por diferentes capas filtrantes.Para el aspecto relacionado con la eficiencia del Biofiltro es importante destacar que este parámetro ha sido determinado en base a estudios de las experiencias de su aplicación llegando a determinarse que para aguas servidas el sistema permite el tratamiento de 1000 litros por metro cuadrado por día. Es decir se necesita 1 m2 efectivo de Biofiltro para tratar 1 m3 de aguas servidas.

LOMBRICULTURA

ANTECEDENTES

El origen de la agricultura se remonta a 10.000 años antes de Cristo en la región de Egipto y Mesopotamia. Los egipcios tenían una gran admiración por las lombrices, y sabían que, a estos animales, se les debe, en gran parte, la fertilidad del Valle de Nilo. Pero fue Aristóteles quien bautizo a las lombrices como los intestinos de la tierra por su movilidad dentro del suelo y por los beneficios evidentes que están representan para los suelos. La reina Cleopatra del antiguo Egipto le confirió el título de "animal sagrado", y a las personas que trataban de sacarlas de su reino a otros territorios, eran castigados con la pena máxima.

Pero sólo hasta 1880, no se tuvo datos científicos sobre este anélido. Charles Darwin a pesar de sus estudios de tecnología, se interesó por las lombrices desde temprana edad y fue así que escribió el libro “The formation of vegetable mould trough the action of worms, with observation on their habits” en 1881, que traducido al español se puede resumir así: La formación de la tierra vegetal por acción de las lombrices, en dicho libro Darwin indica: "el arado es una de las más antiguas y útiles invenciones del hombre, pero mucho antes de que él existiera, la tierra era arada regular y continuamente por las lombrices. Probablemente el hombre; reconocerá un día la gigantesca obra que realizan estos anélidos”.La importancia de los conocimientos de Darwin radican en el estudio profundo de la biología de la lombriz, sus hábitos y hábitat, además del método de investigación llevado a cabo. Todo lo anterior le a merecido al famoso sabio ser considerado como el padre de la lombricultura. La lombriz para beneficio económico se dice que se utilizó por primera vez en Estados Unidos de Norteamérica en 1974 cuando un primo del Presidente Cárter, utilizando un ataúd, sembró lombrices que posteriormente le reportaron jugosas ganancias. Más recientemente, la explotación de lombrices conllevó a serias investigaciones a fin de lograr una lombriz que se pudiera criar en cautiverio, que tuviera una vida duradera y un periodo de reproducción corto; es así como en la Universidad Agrícola de California se obtiene el híbrido rojo californiano, el más usado recientemente en el mundo.

DIAGRAMA DE PROCESO PARA EL LOMBRICULTIVO

LOMBRICES DE LA TIERRA

Son los animales más comunes en los suelos y cumplen con las siguientes funciones:

• Mejoramiento de la aireación, infiltración y distribución del agua.

• Mezcal de las fracciones orgánicas con las minerales.

• Producción de un compuesto que mejora la estructura edáfica y la formación de compuestos húmicos.

LOMBRICILLAS O ENQUITREIDOS

Existen especies predadoras. Ayudan a controlar nemátodos.

FUNCIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA EN LOS SUELOS:

Aporte de nutrientes esenciales (N, P, K, S, Bo, Co, Fe, Mg entre otros). Activación biológica del suelo. Mejoramiento de la estructura del suelo y por lo tanto del movimiento del agua

y del aire. Fomento de las raíces. Incremento de la capacidad de retención de humedad. Incremento de la temperatura. Incremento de la fertilidad potencial. Estabilización del pH. Disminución de la compactación del suelo. Reducción de la erosión externa e interna.

HUMUS DE LOMBRIZ

El humus de lombriz es uno de los mejores abonos orgánicos, porque posee un alto contenido en nitrógeno, fósforo, potasio, calcio y magnesio, elementos esenciales para el desarrollo de las plantas. Ofrece a las plantas una alimentación equilibrada con los elementos básicos utilizables y asimilables por sus raíces.

En comparación a los otros abonos orgánicos tiene las siguientes ventajas: Es muy concentrado (1 tonelada de humus de lombriz equivale a 10 toneladas

de estiércol). No se pierde el nitrógeno por la descomposición. El fósforo es asimilable; en los estiércoles no. Tiene un alto contenido de microorganismos y enzimas que ayudan en la

desintegración de la materia orgánica (la carga bacteriana es un billón por gramo).

Tiene un alto contenido de auxinas y hormonas vegetales que influyen de manera positiva en el crecimiento de las plantas.

Tiene un pH estable entre 7 y 7.5. La materia prima puede ser cualquier tipo de residuo o desecho orgánico,

también se utiliza la parte orgánica de la basura. Humus de lombrices.

EL USO DEL HUMUS DE LOMBRIZ

Las características del humus de lombriz El humus de lombriz se puede utilizar prácticamente en todos los cultivos. Para utilizarlo como reconstituyente orgánico para plantas ornamentales, se

puede aplicar mensualmente al recipiente o al jardín, mezclándolo bien con la tierra. Esto enriquece el suelo con substancias nutritivas que son casi inmediatamente asimiladas por las plantas.

En horticultura y floricultura se utiliza el humus para enriquecer y mejorar el suelo. Las plantas se desarrollan más rápido y más fuertes y así son menos susceptibles a plagas y enfermedades. Por lo general también la cosecha es mayor. La cantidad que se recomienda aplicar es de aproximadamente 10 toneladas por hectárea.

FÍSICAS

El humus de lombriz es un material suelto y de textura granulada. Su uso puede ayudar a mejorar las condiciones físicas del suelo, especialmente en suelos arcillosos, y favorecer un buen desarrollo de las raíces de las plantas.

Granulometría: Tamizado con malla de 2 a 2,5 mm.

BIOLÓGICAS

El lombricompostaje contiene altas poblaciones de microorganismos que colaboran en los procesos de formación del suelo, solubilizan nutrientes para ponerlos a disposición de las plantas y previenen el desarrollo de altas poblaciones de otros microorganismos causantes de enfermedades en las plantas.

NUTRICIONALES

Las propiedades nutricionales de los lombricompostaje varían mucho. Esto se debe a factores como: los tipos de desecho utilizados, las proporciones de cada uno, el estado de descomposición de estos materiales, las condiciones a las cuales se lleve a cabo el proceso de lombricompostaje y el tiempo de almacenamiento del humus.

Es importante tener presente que el lombricompostaje contiene, además de los macronutrientes nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio y calcio, pequeñas cantidades de micronutrientes como boro, zinc, hierro, manganeso y cobre. Significa que el lombricompostaje proporciona una dieta completa a las plantas.

ANÁLISIS FÍSICO BACTERIOLÓGICO

pH: 6,8 a 7,5 Nitrógeno: 1,5 a 5gr.% Calcio CA++: 2,8 a 13gr %

Hierro: 1,3 a 1,6gr% Carga Bacteriana: Mínimo de 6 a la décima por gr. Conductividad: 3 a 4 mm hos/cm. Fósforo p2o5: 1,5 a 5gr.% Cenizas 50 % + -20% Humedad: 30 a 40 % Potasio k20: 1,5 a 3,5gr% Fracción orgánica: 50 % -20% Metales pesados: Cadmio: 4p por millón Plomo: 250p por millón Mercurio: 3p por millón Cromo: 25p por millón

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PLANTA DE LOMBRICULTURA

El principio de construcción no es diferente si se trata de una lombricultura intensiva o del compostaje con ayuda de lombrices. El primero es el compostaje en pilas. En esta aplicación, las lombrices se añaden simplemente a la superficie de la pila, de donde migran al interior del cuerpo de basura. Otra posibilidad es el compostaje en lechos, que se pueden construir de ladrillos, madera, cemento o de otro material conveniente y económico. Los lechos no deben tener una profundidad de más que 50 cm, para evitar que ocurran condiciones anaeróbicas. De la misma manera, deben tener un ancho de no más que 1 m para facilitar el trabajo de los obreros que hacen la cosecha del material y de las lombrices, el mantenimiento y la operación de la planta. El largo de los lechos es técnicamente sin importancia. Se recomienda construir los lechos considerando la producción de basura. En plantas municipales de lombricultura, donde se descargan algunas toneladas de basura diariamente, se recomienda seleccionar el largo de los lechos de tal manera que cada lecho contenga el volumen de la basura que se produce diariamente. Como se puede cargar la basura cruda hasta 50 cm arriba del lecho, el volumen del lecho tiene que ser la mitad del volumen de la basura. Para una producción diaria de 10 toneladas de desechos biodegradables, el cálculo del volumen del lecho sería el siguiente:

Para comunidades pequeñas, los lechos se pueden diseñar para contener la cantidad de basura que se produce durante 2 o 3 días o durante una semana. No deben ser más grandes los lechos para asegurar un proceso de pre-fermentación homogéneo.

La cantidad de lechos debe ser suficiente para asegurar que se quede el material durante al menos 5 - 6 meses si se trata de una lombricultura con ayuda de lombrices o 3 - 4 meses si se trata de una lombricultura intensiva. Considerando la pérdida de aproximadamente 50 % del material y volumen durante el proceso de biodegradación, se puede calcular la cantidad necesaria de lechos como se muestra:

Para un desagüe fácil de las aguas lixiviadas, se debe construir el lecho con una inclinación de 1 - 2 % y un orificio de desagüe. Con esa medida, se impide la putrefacción del material dentro del lecho. En las regiones donde hay cultivo de plátano, se recomienda otra posibilidad de construir una planta de lombricultura para reducir los costos de riego. Es posible construir pilas triangulares de material compostable abajo de los plataneros que se riegan junto con el plátano. Las aguas lixiviadas del compostaje se consumen por el platanero. Esas pilas no deben ser muy altas, para

evitar que ocurran condiciones anaeróbicas. Se recomiendan pilas con una altura de 1 m por 1m de un ancho.

Se recomienda hacer la lombricultura bajo plataneros solamente con desechos vegetales (hojas de plátano, desechos de cocina sin carne, desechos celulósicos etc.) para evitar una contaminación elevada del suelo, lo que puede afectar los plataneros e indirectamente también la salud humana.

DISCUSIONES

El sistema de electrocoagulación juega un papel muy importante en la efectividad de remoción de contaminante, el proceso permite la remoción de una alta cantidad de contaminante en una sola operación, situación que convierte a esta tecnología en una opción económica y ambiental para el tratamiento de las aguas residuales de muchas industrias. El capital y los costos de operación son mucho menores comparativamente con un tratamiento por coagulación química, incluso se pueden llegar a recuperar los costos de capital.

La acumulación de burbujas de O2 y H2 en los electrodos debe ser minimizada ya que éstas incrementan la resistencia, y para que esto no incremente los costos, el reactor debe ser modificado con un flujo continuo, con agitación y un sistema que permita el raspado de las placas de los electrodos, sobre todo el de hierro. Es conveniente incrementar la agitación y la dispersión por medio del flujo continuo.

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

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Mejía Zapata, Claudia Isabel y Osorio Echeverri, Victor Manuel. 2003. “Decoloración de aguas residuales con alto contenido de índigo por el método de electrocoagulación”. En: Revista Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Colombia. Medellín. No. 29 (jun. 2003). pp.115-118.