remociÓn de carbono orgÁnico total y …
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REMOCIÓN DE CARBONO ORGÁNICO TOTAL Y MICROORGANISMOS
PATÓGENOS EN AGUAS SUPERFICIALES DE LA CUENCA BAJA DEL RÍO
BOGOTÁ MEDIANTE EL USO DE UN DISPOSITIVO AUTO-SOSTENIBLE
DALIA XIOMARA SUÁREZ PULIDO
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
MAESTRÍA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
TUNJA
2019
2
REMOCIÓN DE CARBONO ORGÁNICO TOTAL Y MICROORGANISMOS
PATÓGENOS EN AGUAS SUPERFICIALES DE LA CUENCA BAJA DEL RÍO
BOGOTÁ MEDIANTE EL USO DE UN DISPOSITIVO AUTO-SOSTENIBLE
DALIA XIOMARA SUÁREZ PULIDO
Trabajo de grado, para optar por el título de Magister en Ingeniería Ambiental
Director
JOHN JAIRO SANDOVAL VALENCIA
Doctor en Química
Codirector
DALIA SORAYA USECHE VILLAMIZAR
Doctora en Agroecología
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
MAESTRÍA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
TUNJA
2019
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NOTA DE ACEPTACIÓN
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Firma Director
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Firma Jurado
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Firma Jurado
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Tunja, 25 de Septiembre del 2019
DEDICATORIA
Dedico este trabajo de grado a toda mi familia por su apoyo y amor incondicional. A
mi madre Ana Cecilia Pulido Moreno y a mi hermana Violeta Estefanía Suárez por
ser el motor e inspiración de cada una de mis logros. A Oscar Mauricio Blanco
Castañeda por decidir emprender conmigo este camino y acompañarme hasta este
día. Finalmente, a mis compañeros porque sin ellos nada de esto hubiese sido
posible y por qué más que compañeros se convirtieron en amigos y familia.
5
AGRADECIMIENTOS
A mi familia, fuente de apoyo constante e incondicional en toda mi vida y mi más
grande agradecimiento a mi madre que sin su ayuda hubiera sido imposible culminar
este nuevo reto.
A mi Director de proyecto el Doctor JOHN JAIRO SANDOVAL VALENCIA quien me
ayudó con esmero, paciencia y dedicación para culminar satisfactoriamente este
proyecto.
A mi codirectora la Doctora DALIA SORAYA USECHE VILLAMIZAR, por su
orientación y apoyo en el desarrollo de esta investigación.
A mi compañero y amigo el profesor DRIGELIO MORALES GARZÓN, por su
compromiso y apoyo durante la fase de muestreo de la investigación y sobre todo
por la fortaleza brindada durante todo el proceso.
Quiero hacer un agradecimiento especial al LABORATORIO DEL GRUPO DE
INVESTIGACIÓN CATÁLISIS por apoyar los procesos de investigación y procesar
las muestras de Carbono Orgánico Total de esta investigación. A la doctora JULIE
JOSEANE MURCIA MESA por su orientación y sugerencias frente al desarrollo de
la investigación.
A la UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA quien me brindó la oportunidad de
desarrollar el proyecto en las instalaciones del Laboratorio de Aguas del programa
de Ingeniería Ambiental Seccional-Girardot, así como por el apoyo económico para
la construcción del prototipo.
A la UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA quien me
brindó la oportunidad de formarme, de conocer personas maravillosas y lograr
cumplir mis sueños, al programa de postgrados en Ingeniería ambiental quien me
abrió las puertas y me formo como magister.
A Juliana Montes Mondragón por su ayuda, consejos y palabras de aliento durante
el desarrollo de esta investigación.
A la empresa Localpack y a Evonik Industries por suministrar el catalizador TiO2-
P25 aeroxide.
A mis amigos, colegas haciendo de esto una experiencia más en mi vida.
6
CONTENIDO
Pág.
1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 12
2. OBJETIVOS ................................................................................................................ 14
2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 14
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................. 14
3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 15
3.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ............................................................................. 15
3.2 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 21
4. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 26
5. DISEÑO METODOLÓGICO ........................................................................................ 37
5.1 Diseño y construcción del dispositivo ............................................................... 37
5.2 Toma de muestras y caracterización del Agua superficial................................ 37
5.3 Caracterización de la muestra ............................................................................. 40
5.3.1 Carbono orgánico Total (COT) ......................................................................... 41
5.3.2 Filtración por Membrana .................................................................................. 41
5.3.3. pH, Turbidez y Conductividad Eléctrica ........................................................... 41
5.4 Análisis de Costos y Viabilidad ........................................................................... 44
5.4.1 Variables por componente ............................................................................... 44
6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..................................................................................... 46
6.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO AUTO-SOSTENIBLE .............. 46
6.1.1 Estructura Física .............................................................................................. 47
6.1.2 Sistema Eléctrico ............................................................................................. 48
6.1.3 Bomba Solar de Corriente Continua ................................................................ 50
6.1.4 Operaciones Unitarias ..................................................................................... 51
6.2 EFICIENCIA DEL DISPOSITIVO ........................................................................... 56
6.2.1 Caracterización de las muestras ...................................................................... 56
6.2.2 Ensayo N°1 Filtración – Desinfección (E1-FD-180) .......................................... 63
6.2.3 Ensayo N°2: Fotocatálisis TiO2/UV - Filtración ................................................. 66
6.2.4 Ensayo N° 3 y 4 Filtración – Fotocatálisis TiO2 ................................................ 71
6.2.5 Ensayo N° 5 Filtración – Fotocatálisis TiO2 (0.05g/L) ....................................... 74
7
7. ANALISIS DE COSTOS Y VIABILIDAD ...................................................................... 78
7.1 Sostenibilidad Económica ................................................................................... 79
7.2 Sostenibilidad Técnica ......................................................................................... 82
7.3 Sostenibilidad Ambiental ..................................................................................... 82
7.4 Sostenibilidad Social ........................................................................................... 84
8. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 87
9. RECOMENDACIONES ................................................................................................ 89
10. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 90
8
LISTA DE TABLAS
Tabla 1: Concentración de metales pesados biodisponibles en las fuentes hídricas a Nivel
Nacional .......................................................................................................................... 18
Tabla 2: Peso relativo para cada uno de los criterios analizados ..................................... 44
Tabla 3: Rango de ponderación y calificación de cada componente ................................ 45
Tabla 4: Dimensiones Filtro de seis válvulas ................................................................... 53
Tabla 5: Caracterización muestra inicial .......................................................................... 56
Tabla 6: Ensayo N° 1 Filtración y Desinfección (E1-FD-180) ........................................... 63
Tabla 7: Ensayo N° 2 Filtración, Fotocatálisis TiO2/UV .................................................... 66
Tabla 8: Revisión antecedentes procesos de desinfección con TiO2/UV .......................... 69
Tabla 9: Ensayo N° 3 ....................................................................................................... 72
Tabla 10: Ensayo N° 4 ..................................................................................................... 73
Tabla 11: Ensayo 5 Filtración – Fotocatálisis TiO2 (0.05mg/L) ......................................... 75
Tabla 12: Comparación Normatividad Nacional frente al efluente tratado. ....................... 78
Tabla 13: Análisis de sostenibilidad económica de las alterativas .................................... 79
Tabla 14: Análisis de Costos de Inversión, operación y mantenimiento de alternativas ... 80
Tabla 15: Costos de Inversión Operación y mantenimiento del equipo auto sostenible. .. 80
Tabla 16: Análisis de sostenibilidad Técnica de las alternativas propuestas .................... 82
Tabla 17: Análisis de sostenibilidad ambiental de las alternativas planteadas ................. 83
Tabla 18: Identificación de impactos ambientales causados por la contaminación de la
cuenca baja del Río Bogotá ............................................................................................. 84
Tabla 19 : Análisis de sostenibilidad social de las alternativas propuestas ..................... 85
Tabla 20: Análisis de costo y viabilidad de alternativas ................................................... 86
9
LISTA DE FIGURAS
Pág
Figura 1: Cargas contaminantes calculadas por estación de monitoreo en los ríos a nivel
nacional ........................................................................................................................... 17
Figura 2: Fotocatálisis Heterogénea ................................................................................ 32
Figura 3: Normatividad asociada al uso de aguas residuales tratadas ............................. 36
Figura 4: Punto de muestreo y trasporte de muestras de agua superficial Río Bogotá .... 38
Figura 5: Ensayo Día 1 .................................................................................................. 39
Figura 6: Ensayo Día 2 Fotocatálisis UV/TiO2 – Filtración................................................ 40
Figura 7: Determinación de Turbidez, Conductividad Eléctrica y pH ................................ 42
Figura 8: Ensayo Día 3-5 Filtración – Fotocatalisis UV/TiO2 ........................................... 43
Figura 9: Estructura Física Dispositivo Auto-Sostenible ................................................... 47
Figura 10: Análisis anual de la estación meteorología de la universidad de Cundinamarca
Girardot. .......................................................................................................................... 48
Figura 11: Sistema eléctrico dispositivo Auto-Sostenible ................................................. 49
Figura 12: Unidades de Paneles Solares e inversor de energía solar de onda pura ........ 49
Figura 13: Bomba Solar de Corriente Continua Sumergible ............................................. 50
Figura 14: Flujo de Filtración y Lavado ............................................................................ 52
Figura 15: Dimensiones Filtro .......................................................................................... 53
Figura 16: Lámpara Viqua ............................................................................................... 54
Figura 17: Dispositivo Final .............................................................................................. 55
Figura 18: Comportamiento del ICA en el Río Bogotá ..................................................... 57
Figura 19: Variación de la Demanda Biológica de Oxigeno durante las tres estaciones de
monitoreo finales del Río Bogotá y el punto de muestreo del proyecto. ........................... 58
Figura 20: Coliformes Totales (CT) Río Bogotá Cuenca Baja .......................................... 60
Figura 21: Objetivos de calidad del recurso hídrico referente a Coliformes totales .......... 61
Figura 22:Comportamiento del ICA en el Río Magdalena ................................................ 62
Figura 23: Comparación agua tratada frente a objetivos de calidad ................................. 71
Figura 24: Comportamiento Carbono orgánico total y Coliformes totales ensayo 3 y 4 .... 74
Figura 25: Comportamiento de los Coliformes Fecales durante los 5 ensayos ................ 77
10
RESUMEN
El deterioro de la calidad de los recursos hídricos superficiales en las cuencas
Colombianas se ha incrementado debido a la disposición de aguas residuales (AR)
de origen doméstico y agroindustrial, sin considerar los objetivos de calidad de los
cuerpos de agua y sin un previo tratamiento. La oferta hídrica de la región del alto
Magdalena, enfrenta una problemática asociada al deterioro de la calidad del agua,
que se incrementa por las actividades del sector agrícola y sus inadecuadas
prácticas sobre el recorrido del Río Bogotá; generando un impacto ambiental
significativo en los predios ubicados a continuación de la ronda hídrica. Además de
la escasa inversión en la implementación de sistemas de tratamiento de agua, por
el consumo energético y operativo que representan.
Por esta razón, este trabajo de investigación desarrolló y evaluó un prototipo portátil
a pequeña escala para el tratamiento de agua superficial contaminada en zonas de
difícil acceso y sin suministro energético. El proceso consta de dos operaciones
unitarias: i) Un sistema de filtración de alta tasa, y ii) una etapa donde se aprovecha
la luz ultravioleta para la eliminación de microorganismos patógenos, o la aplicación
de los procesos de oxidación avanzada (POAs), tal como la Fotocatálisis
heterogénea con dióxido de titanio. Es un equipo con independencia energética
gracias al uso cuatro paneles solares semiflexibles, los cuales transfieren la energía
a un controlador de 12-24V que posteriormente conducen la energía a un banco de
2 baterías.
Para su evaluación, se caracterizó y analizó la disminución de la carga contaminante
del agua del Río Bogotá, en la vereda Portachuelo del Municipio de Girardot. Los
parámetros usados para indicar la eficiencia del dispositivo fueron el Carbono
Orgánico Total (COT) y los Coliformes Totales (CT). La caracterización inicial de las
muestras evidencio que la contaminación por Coliformes totales sigue siendo el
principal problema que afecta el recurso en la cuenca baja, arrojando una
concentración promedio de 329.000 Unidades Formadoras de Colonias (UFC) por
cada 100 mililitros de muestra. Teniendo en cuenta este panorama, se estudiaron
distintos métodos de tratamiento: Filtración- Desinfección, Fotocatálisis TiO2/UV –
Filtración y Filtración - Fotocatálisis TiO2/UV, optimizando las condiciones
experimentales de carga del Fotocatalizador y tiempo de retención del agua en el
sistema de Tratamiento.
Los resultados mostraron que el tratamiento de Filtración - Fotocatálisis TiO2/UV, es
una opción viable de tratamiento para estas aguas alcanzando los objetivos de
11
calidad para uso agrícola y pecuario según lo establecido en el Acuerdo 043 del
2006 emitido por la Corporación Autónoma de Cundinamarca. Por ejemplo, se
alcanza una remoción del 64% de COT y la contaminación microbiológica por
Coliformes Totales se reduce a un 98% empleando un contenido de TiO2 de 0,05
ppm en un tiempo de tratamiento de 90 minutos. La eficiencia del sistema permitirá
a las comunidades acceder a aguas que cumplan con los objetivos de calidad para
uso en actividades agrícolas y pecuarias. Igualmente, reducirá los impactos
ambientales ocasionados por el uso del recurso como la contaminación de los
suelos, los procesos de bioacumulación y biomagnificación de compuestos tóxicos
y los brotes de enfermedades asociadas al consumo de agua y alimentos
contaminados.
Teniendo en cuenta las características de operación del dispositivo durante los
ensayos se logra establecer un tiempo de funcionamiento constante siempre y
cuando los paneles se encuentren expuestos a la radiación solar. Una vez el nivel
de radiación se reduce el dispositivo está en la capacidad de operar durante 6 horas
haciendo uso de las baterías lo que evidencia la viabilidad para su implementación
en áreas que no cuenten con suministro energético y que requieran agua con
características óptimas para uso agrícola e incluso consumo humano.
PALABRAS CLAVE: Fotocatálisis Heterogénea, Microorganismos Patógenos,
Carbono Orgánico Total, Tratamiento, Agua Superficial.
12
1. INTRODUCCIÓN
En Colombia el deterioro en la calidad del recurso hídrico se atribuye principalmente
al vertimiento de aguas residuales tanto domésticas como industriales sin previo
tratamiento. Según el Estudio Nacional del Agua del 2018, a nivel nacional
únicamente el 48,2% de los municipios cuentan con sistemas de tratamiento de
aguas residuales1. Además, el crecimiento poblacional e industrial, y el desarrollo
económico requiere de soluciones inmediatas para satisfacer sus requerimientos
hídricos básicos. Por lo tanto, el uso directo e indirecto de aguas residuales, se
plantea como una estrategia sustentable en la gestión del recurso hídrico. Para logar
este fin, las aguas contaminadas requieren de tratamientos combinados que
permitan eliminar contaminantes no biodegradables o estables molecularmente,
que se resisten a métodos de tratamiento convencionales2, antes de ser usadas en
procesos productivos como las actividades agrícolas o pecuarias. El uso de estos
tratamientos garantizará la eficiencia en la eliminación no solo de contaminantes
orgánicos biodegradables sino de compuestos persistentes que por sus
características pueden ser nocivos para la salud humana una vez ingresen a las
cadenas tróficas por procesos de bioacumulación y biogmanificación.
Los procesos de oxidación avanzada (POA), como la fotocatálisis heterogénea con
TiO2 ha demostrado ser eficientes en el mejoramiento de la calidad del agua, en
cuanto a la eliminación de contaminantes orgánicos o agentes patógenos. Se ha
señalado, la degradación de hidrocarburos saturados o insaturados, compuestos
oxigenados, pesticidas, colorantes, ácidos alifáticos, surfactantes, compuestos
aromáticos, así como la inactivación de Coliformes totales, E. Coli, entre otros 3 4 5.
La fotocatálisis heterogénea ofrece ciertas ventajas como la baja toxicidad y el bajo
costo del TiO2, la posibilidad de ser aplicada a concentraciones bajas de
contaminantes (ej. Contaminantes emergentes), la mineralización total de
contaminantes orgánicos y la eficiencia en compuestos halogenados a veces muy
1 IDEAM, Estudio Nacional del Agua 2018. Bogotá, D. C: Panamericana Formas e Impresos S.A, 2019. p 452. ISBN: 978-958-5489-12-7. 2 EMAM, Eman. Effect of ozonation combined with heterogeneous catalysts and ultraviolet radiation on recycling of gas-station wastewater. En: Egyptian Journal of Petroleum. 2012. Vol. 21, no 1, p. 55-60. 3 ABDENNOURI, Mohamed, et al. Photocatalytic degradation of pesticides by titanium dioxide and titanium pillared purified clays. En: Arabian Journal of Chemistry. 2016. Vol. 9, p. S313-S318. 4 CHEKIR, Nadia, et al. Solar energy for the benefit of water treatment: Solar photoreactor. En: ChProcedia engineering. 2012. Vol. 33, p. 174-180. 5 CHONG, Meng Nan, et al. Recent developments in photocatalytic water treatment technology: a review. En: Water research. 2010. Vol. 44, no 10, p. 2997-3027.
13
tóxicos para las bacterias; De igual forma permite la combinación con otros métodos
de descontaminación, en particular procesos biológicos6.
El Río Bogotá es uno de los afluentes más contaminados en Suramérica. Es un
ecosistema de alta fragilidad por limitar con zonas de desarrollo agrícola, que
modifican el uso del suelo, afectando la disponibilidad de agua. El desarrollo de
cultivos de papa, hortalizas, plátano y arroz a lo largo de la cuenca aportan abonos
y plaguicidas que deterioran la calidad del agua durante su recorrido. Así mismo, el
vertimiento de aguas residuales domésticas e industriales de actividades como la
curtiembre y canteras, elevan las concentraciones de metales pesados, materia
orgánica y nutrientes dentro del afluente, favoreciendo procesos de oxidación
bacteriana y emitiendo gases como el metano. Por lo tanto, surge la necesidad de
implementar sistemas combinados que permitan remover no solo los compuestos
biodegradables sino contaminantes emergentes que se caracterizan por su alta
toxicidad y persistencia en el recurso. En el Río Bogotá, se han identificado
concentraciones importantes de Ftalatos, Bisfenol A, Estrona y Carbamazepina,
compuestos que son resistente a los sistemas de tratamiento convencionales y que
pueden desplazarse a largas distancias, así como acumularse en algunas especies
e ingresar en las cadenas tróficas7.
Con este trabajo se pretende evaluar la eficiencia del uso de procesos combinados
como la Filtración – Desinfección y Fotocatálisis Heterogénea, para la depuración
de aguas contaminadas mediante un sistema portátil que permita tratar y reutilizar
aguas provenientes del Río Bogotá, disminuyendo la concentración de Carbono
Orgánico Total y microrganismos patógenos. Una vez se comprueba la eficiencia
para mejorar la calidad del agua, éste podría ser usado para satisfacer la demanda
de los sistemas de riego en los cultivos de la región. Finalmente brindar a las
comunidades asentadas en áreas de difícil acceso y sin disponibilidad de servicio
de energía una alternativa auto sostenible y económica frente a un tratamiento
convencional.
6 GARCÉS GIRALDO, Luis; MEJÍA FRANCO, Edwin; SANTAMARÍA ARANGO, Jorge. La fotocatálisis como alternativa para el tratamiento de aguas residuales. En: Revista Lasallista de Investigación. 2004. Vol. 2004 n°1, p. 83-92 7 LARA BORRERO J.A.; BEDOYA RÍOS D.F. Occurrence of some emerging contaminants in the urban water cycle Bogota. En: Asociación Colombiana de Ingeniera Sanitaria y Ambiental-ACODAL. Boletín 22. [Citado 15 de Septiembre 2019]<Disponible en: http://hostinguate.com/aidis/PDF_mem/35INT/ID%201606_ed.pdf >
14
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Evaluar un dispositivo portátil para la disminución de la concentración de Carbono
Orgánico Total y microrganismos patógenos en aguas superficiales provenientes de
la cuenca baja del río Bogotá.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Diseñar un sistema Auto-Sostenible con métodos combinados de filtración y
desinfección con luz ultravioleta para tratar agua superficial del Río Bogotá.
• Analizar la eficiencia de remoción de carbono orgánico total en aguas del Río
Bogotá, mediante fotocatálisis heterogénea con TiO2
• Estudiar la eficiencia del proceso fotocatalítico con TiO2 de eliminación de
microrganismos patógenos en fase acuosa.
15
3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
El suministro de agua en Colombia para diversas actividades depende
aproximadamente en un 80% de las aguas superficiales, pero en zonas rurales y
urbanas dicho suministro es amenazado por problemas de calidad del recurso. Este
deterioro es causado por una urbanización creciente, un inapropiado manejo de
usos del suelo, poca protección de las cuencas, descargas incontroladas de AR
domésticas e industriales, minería, procesos de deforestación, así como un manejo
deficiente de los residuos sólidos domiciliarios y urbanos8 9. A nivel mundial, la
mayor parte de las aguas residuales municipales e industriales no reciben
tratamiento, y el escenario es peor si se considera que se vierten anualmente 1.500
km3 de aguas residuales que contaminan 12.000 km3 de agua dulce, y que el 70%
de las aguas residuales industriales y entre el 80 y 90% de todas las aguas
residuales domesticas están siendo dispuestas sin ningún tratamiento en los países
en desarrollo 10 11 12. Para Colombia el panorama no es diferente pues se estima
que se están arrojando a los cuerpos de agua cerca de 67 m3/s de AR en todo el
territorio.13 Las zonas más afectadas por esto, se encuentran ubicadas en la región
Andina, asociado principalmente al desarrollo económico generado por el
crecimiento poblacional y el avance industrial en estas áreas; con la consecuente
presión sobre los recursos de las cuencas de los ríos Magdalena y Cauca. Los
afluentes de estos ríos son los que reciben la mayor carga de compuestos que
alteran la calidad del agua14.
8 GUERRERO, Lilliana; MAAS, Ger; HOGLAND, William. Solid waste management challenges for cities in developing countries. En: Waste management. 2013. Vol. 33, no 1, p. 220-232. 9 ROLDAN, GABRIEL et al. El Agua Urbana en Colombia. En: Desafíos del Agua Urbana en las Américas: Perspectivas de las Academias de Ciencias. Agricultura, sociedad y desarrollo. Cuernavaca: The Inter-American Network of Academies of Sciences (IANAS), 2015. p. 640. 10 MORALES-MEJÍA, Julio C.; ALMANZA, Rafael; GUTIÉRREZ, Filiberto. Solar photocatalytic oxidation of hydroxy phenols in a CPC reactor with thick TiO2 films. En: Energy Procedia. 2014. Vol. 57, p. 597-606. 11 CONNOR, Richard. The United Nations world water development report 2015: water for a sustainable world. UNESCO, 2014. Disponible en https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf0000225741 12 WORLD WATER ASSESSMENT PROGRAMME (UNITED NATIONS). Water for People, Water for Life: The United Nations World Water Development Report: Executive Summary. UNESCO, 2003.Disponible en https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf0000129556_spa 13 ROLDAN, GABRIEL et al. Op. cit, p. 176. 14ibid.
16
A nivel nacional, la cuenca del Magdalena es la más afectada por las descargas
domésticas e industriales sin tratamiento previo. En trabajos anteriores en los ríos
Cauca y Bogotá se ha detectado una alta presencia de contaminantes
microbiológicos en estas aguas 15 16 al igual que la presencia de contaminantes
emergentes17. Estos ríos también, son los principales receptores de contaminantes
de diversos tipos: compuestos orgánicos, sólidos en suspensión, nutrientes como el
Nitrógeno y el fosforo y metales pesados como el plomo encontrado en mayor
magnitud tanto en el Magdalena como en el Río Bogotá seguido por el cromo,
cadmio y mercurio, todo ellos contaminantes ambientales caracterizados por su
tendencia a acumularse en los organismos; persistir debido a su estabilidad química
y su escasa biodegradabilidad.18 19 20
En la Figura 1 se observa la variación de cargas contaminantes a nivel nacional,
que oscila entre 5 y 500 t/día de DQO, 1 y 115 t/día de DBO, 0,1 y 9 t/día de fósforo
total, 0,1 y 7 t/día de nitrato, 0,1 y 89 T/día de nitrógeno amoniacal, asociados
principalmente a los vertimientos de aguas residuales domesticas e industriales sin
tratamiento previo.
15 CHACÓN PINZÓN, Germán. Análisis retrospectivo de la calidad del agua del Distrito de Riego La Ramada (Cundinamarca). Tesis de grado Ingeniería Civil y Agrícola. Bogotá DC: Universidad Nacional de Colombia, 2003. 16 TORRES JIMÉNEZ, Leonardo. Evaluación de la incidencia del vertido de aguas residuales
urbanas en el distrito de riego La Ramada. Trabajo de Grado. Bogotá D.C: Universidad Nacional de
Colombia, 2004. 17 BEDOYA PÉREZ, Juan Carlos; ARDILA ARIAS, Alba Nelly; REYES CALLE, Julina. Evaluación de un humedal artificial de flujo subsuperficial en el tratamiento de las aguas residuales generadas en la institución universitaria colegio mayor de Antioquia, Colombia. En: Revista Internacional de Contaminación Ambiental, vol. 30, núm. 3, 2014, p. 275-283. [¨Citado 15 Septiembre 2019]. Disponible en: http://www.redalyc.org/pdf/370/37031522004.pdf 18 IDEAM, IAvH, Invemar, SINCHI e IIAP. Tomo 3: Contaminación del aire y agua en Colombia e impactos sobre la salud. En: Informe del Estado del Medio Ambiente y los Recursos Naturales Renovables 2011. Bogotá, D. C: Imprenta Nacional de Colombia, 2013. p 148. ISSN: 2346-1586. 19 IDEAM, Estudio Nacional del Agua 2014. Bogotá, D. C: Panamericana Formas e Impresos S.A, 2015. p 496. ISBN: 978-958-8067-70-4. 20 ROLDAN, GABRIEL et al. Op. cit, p. 176.
17
Figura 1: Cargas contaminantes calculadas por estación de monitoreo en los ríos a
Nivel Nacional
Fuente: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - Estudio
Nacional del Agua, 201821
Dentro de la carga orgánica previamente mencionada, se incluyen los
contaminantes emergentes (CE), es decir aquellos compuestos resultad de
sustancias químicas y/o biológicas utilizadas en la vida diaria. Son de origen natural
u antropogénico, están presentes en las matrices suelo, agua y aire y su toxicidad
y persistencia es capaz de alterar el metabolismo de los seres vivos. Este grupo de
contaminantes, incluye, productos farmacéuticos, drogas, productos de cuidado
personal, disruptores endocrinos, etc 22. Su importancia radica, en la capacidad para
mantenerse en el medio ambiente, por su difícil degradación en sistemas de
tratamiento convencionales, su elevada toxicidad y la facilidad para
bioacumularse23.
21 IDEAM, Estudio Nacional del Agua 2018. Bogotá, D. C: Panamericana Formas e Impresos S.A, 2019. p 452. ISBN: 978-958-5489-12-7. 22 LA FARRE, Marinel, et al. Fate and toxicity of emerging pollutants, their metabolites and transformation products in the aquatic environment. En: TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2008. Vol. 27, no 11, p. 991-1007. 23 EBELE, Anekwe Jennifer; ABDALLAH, Mohamed Abou-Elwafa; HARRAD, Stuart. Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in the freshwater aquatic environment. En: Emerging Contaminants. 2017. Vol. 3, no 1, p. 1-16.
18
Los CE tiene efectos potencialmente adversos sobre la salud humana, la vida
silvestre y los ecosistemas. Generan afectaciones fisiológicas en ser humano aun
en bajas contracciones24 y son tóxicos y bioacumulables para la vida acuática. Los
efectos biológicos tóxicos, incluyen estrogenicidad, mutagenicidad y
genotoxicidad25 26. Por lo tanto, representa una grave amenaza tanto para las
condiciones de seguridad ambiental como para la salud humana.
Al mismo tiempo, se ha establecido la presencia de metales pesados en las fuentes
hídricas a nivel nacional encontrando concentraciones que superan los valores
máximos establecidos en la normatividad como se evidencia en la Tabla 1.
Tabla 1: Fuentes hídricas a nivel nacional con elevada concentración de metales
pesados biodisponibles
CONTAMINANTES SÍMBOLO MÁXIMO (mg/Kg) FUENTE MONITOREADA
Cadmio Cd 19 Río Marmato
Níquel Ni 34 Río Buga
Cobre Cu 84 Rio Quinamayo
Cromo Cr 87 Río Bogotá
Aluminio Al 8000 Rio Cali
Hierro Fe 16000 Río Cali
Manganeso Mg 787 Río Cali
Plomo Pb 1 409 Río Marmato
Zinc Zn 541 Río Marmato
Mercurio Hg 0,80 Río Inírida
Fuente: Elaboración Propia
Las concentraciones de algunos de estos contaminares, especialmente el Cr
pueden darse por la agrupación de compuestos de cromo derivados de la minería
del carbón que por medio de la precipitación llega a las corrientes27 o de la industria
manufacturera que usa diferentes tipos de colorantes que en su residuo son vertidos
24 Ibid. 25ÁLVAREZ-MUÑOZ, Diana, et al. Occurrence of pharmaceuticals and endocrine disrupting compounds in macroalgaes, bivalves, and fish from coastal areas in Europe. En: Environmental research. 2015. Vol. 143, p. 56-64. 26 VALDÉS, María Eugenia, et al. Bioaccumulation and bioconcentration of carbamazepine and other pharmaceuticals in fish under field and controlled laboratory experiments. Evidences of carbamazepine metabolization by fish. En: Science of The Total Environment. 2016. Vol. 557, p. 58-67. 27 Agency for Toxic Substances & Disease Registry. (Sept-2000, Atlanta, GA EE.UU: Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU. Servicio de Salud Pública). Reseña Toxicológica del cromo. Atlanta 2000. 5 p.
19
a las corrientes de agua28. El hierro por su parte puede darse por la geomorfología
de los ríos o por aportes de derivados industriales. El aporte de Mg y Zn se atribuye
a la influencia minera, residuos industriales o domésticos y uso de agroquímicos y
finalmente, el mercurio puede ser de origen natural u antropogénico especialmente
la minería aurífera. La presencia de estos elementos en el medio no solo afecta la
salud de las comunidades sino también la de los ecosistemas acuáticos. Estos
elementos se biotrasforman por actividad bacteriana a especies químicas solubles
en agua y de gran estabilidad molecular que se bioacumulan y biomagnifican a
través de la cadena trófica.
Por otra parte, es importante resaltar que el mayor uso de agua en Colombia se
concentra en el área hidrográfica de los ríos Magdalena y Cauca con el 67% de la
demanda total del país. Según el IDEAM en el Estudio Nacional de Agua sobre la
distribución del consumo por sector, el uso agrícola, considerado sector de mayor
requerimiento en el mundo, demanda 16.760,33 millones de m3 del volumen de
agua que se utiliza en todo el territorio 29 .
La mayor presión sobre los sistemas hídricos por el uso de agua para la producción
agrícola corresponde a un 20% y ocurre en las subzonas hidrográficas del Río
Bogotá, Ciénaga Grande de Santa Marta, Arroyos Directo Caribe, Rio Ranchería y
Canal del Dique. El Río Bogotá en la desembocadura del rio Magdalena, enfrenta
una problemática asociada básicamente al deterioro de la calidad del agua y la
elevada demanda por parte de los diferentes sectores productivos específicamente
la agricultura. Según lo anterior, se requieren estrategias para el mejoramiento de
la calidad de las aguas superficiales que han sido afectadas por los vertimientos de
aguas residuales. De tal manera, se garantizan las buenas prácticas agrícolas, se
disminuye el impacto y el deterioro del recurso suelo, se mejora la calidad de los
alimentos y preserva la salud humana.
28 HERRERA NÚÑEZ, Jacqueline, et al. Evaluación de metales pesados en los sedimentos superficiales del río Pirro. En: Tecnología en Marcha. 2013. Vol. 26, no 1, p. 27-36. 29 IDEAM, Estudio Nacional del Agua 2014. Op. Cit.
20
En Colombia, el problema de reutilizar aguas residuales, es el alto porcentaje de
estas que no reciben tratamiento y que generan riesgos en la salud pública una vez
son vertidas a los cuerpos de aguas superficial 30 31 32 . El impacto social y ambiental
ocurre principalmente por el incumplimiento de los niveles máximos permisibles
para actividades agrícolas como se estipula en la resolución 1207 de 201433 y el
Acuerdo 043 del 200634, demostrando que el aprovechamiento es inadecuado y
poco eficiente.
Algunos estudios 35 36 37 38 39 40 se han direccionado a determinar el efecto del uso
de aguas del Río Bogotá en sistemas de riego; demostrando su efecto sobre la salud
humana por el consumo de vegetales que son regados con aguas que contienen
trazas de metales pesados y excesos de contaminantes biológicos. La presencia de
metales pesados como el Hg, As, cd y Pb, por sus características de toxicidad,
pueden presentar bioacumulación o biodisponibilidad pasando de un recurso a otro.
30 ROJAS ESCOBAR, María Camila; BONILLA, Luis Felipe Tovar; CUÉLLAR, Jonathan Romero. Diseño de un sistema experto para reutilización de aguas residuales tratadas. En: Ciencia e Ingeniería Neogranadina [online], 2016, vol. 26, no 2.[Citado 15 Septiembre 2019]. Disponible en: https://revistas.unimilitar.edu.co/index.php/rcin/article/view/1827 31 SILVA, Jorge; TORRES, Patricia; MADERA, Carlos. Reuso de aguas residuales domésticas en agricultura. Una revisión. En: Agronomía Colombiana.2008. Vol. 26, no 2, p. 347-359. 32 BEDOYA PÉREZ, Juan Carlos; ARDILA ARIAS, Alba Nelly; REYES CALLE, Julina. Op. cit, 33 MINISTERIO DE AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE. Resolución número 1207 de 2014. 25 de Julio del 2014) Por La Cual Se Adoptan Disposiciones Relacionadas Con El Uso De Aguas Residuales Tratadas. Bogotá, 13 de Agosto de 2014. 9 p. 34 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE CUNDINAMARCA – CAR. Acuerdo número 43. 17 de octubre del 2006. Por el cual se establecen los objetivos de calidad del agua para la cuenca del río Bogotá a lograr en el año 2020. Bogotá, 17 de octubre del 2006. 16 p. 35 COMBARIZA BAYONA, David Andrés. Contaminación por metales pesados en el embalse del Muña y su relación con los niveles en sangre de plomo, mercurio y cadmio y alteraciones de salud en los habitantes del municipio de Sibaté (Cundinamarca) 2007. Tesis de Maestría en Toxicología. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Medicina, 2009. 115 p. 36 MIRANDA, Diego, et al. Acumulación de metales pesados en suelo y plantas de cuatro cultivos hortícolas, regados con agua del río Bogotá. En: Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. Febrero, 2008. Vol. 2, no 2, p. 180-191. 37 SÁNCHEZ, Clara, et al. Perfil sociodemográfico y epidemiológico de la población expuesta a la contaminación por mercurio, plomo y cadmio, ubicada en la vereda Manuel Sur del municipio de Ricaurte y los barrios Brisas del Bogotá y La Victoria del municipio de Girardot. En: Investigación en Enfermería. 2010. Vol., 12, no. 2, p.93–116. 38 MADERO, Aura; MARRUGO, José. Detección de metales pesados en bovinos, en los valles de los ríos Sinú y San Jorge, Departamento de Córdoba, Colombia. En: Revista MVZ Córdoba. 2011 Vol., 16 no. 1, p 2391- 2401. 39 LONDOÑO FRANCO, Luis. Presencia de metales pesados en hatos lecheros de los municipios de San Pedro y Entrerríos, Antioquia, Colombia. Tesis Doctoral en Veterinaria. León: Universidad de León. Facultad de Veterinaria, 2014. 232 p. 40 PINZÓN CHOQUE, Carlos. Determinación de los niveles de plomo y cadmio en leche procesada en la ciudad de Bogotá D.C. Tesis de Maestría en Toxicología. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Medicina, 2015. 144 p.
21
Así mismo, se ha demostrado que las bacterias pueden colonizar tejidos externos
de las plantas, pero los patógenos microbianos también se han detectado en las
raíces y tejido de la planta de hoja verde, lugares donde pueden ser protegidos de
los procesos de limpieza en la post-cosecha41. La frecuencia de afecciones del
tracto respiratorio en menores y enfermedades del tracto gastrointestinal,
relacionadas con calidad de agua y alimentos en el área de influencia del Río Bogotá
incrementan la necesidad de crear estrategias prácticas que permitan brindar una
solución parcial, de fácil acceso para el tratamiento de esas aguas contaminadas.
Por lo tanto, se plantea la siguiente pregunta de investigación:
¿Es eficiente el dispositivo portátil en la eliminación de carbono orgánico total y
microrganismos patógenos en aguas superficiales contaminadas del río Bogotá con
fines de uso en sistemas de riego?
3.2 JUSTIFICACIÓN
El aumento del consumo del recurso hídrico debido al crecimiento de la población
urbana en Latinoamérica y en Colombia 42, y la degradación de los ecosistemas
acuáticos y la calidad del agua debido al vertimiento de AR en las fuentes
superficiales, ha creado un interés en buscar fuentes alternativas de aguas tales
como: la reutilización de aguas residuales, aguas grises, aguas de escorrentía
urbana y el aprovechamiento del agua lluvia 43, cuyo beneficio se da en la medida
en que son fuentes no tributadas a las que la población podría acceder, siempre y
cuando su uso no represente ningún riesgo 44.
Tan solo el 20 % del agua residual (AR) se trata antes de su vertimiento a cuerpos
de agua45, provocando la alteración de la calidad de las fuentes hídricas y limitando
la disponibilidad del recurso. Por lo tanto, se están generando avances a nivel
41 TROLDBORG, Mads, et al. A risk-based approach for developing standards for irrigation with reclaimed water. En: Water research. 2017. Vol. 126, p. 372-384. 42 DEPARTAMENTO ADMINISTRATIVO NACIONAL DE ESTADÍSTICA COLOMBIA- DANE. Censo de Convivencia, Encuesta Ciudadana, Seguridad. Bogotá, 2005. 43 ROLDAN, GABRIEL et al. Op. cit, p. 185. 44 ARCILA RAMIREZ, Hildebrando; ZÚÑIGA OSPINA, Oscar. Evaluación de la calidad del agua de lluvia para su aprovechamiento y uso doméstico en la ciudad de Ibagué, Tolima, Colombia. En: Ingeniería solidaria. 2014. Vol. 10, no 17, p. 125-137. 45 WORLD WATER ASSESSMENT PROGRAMME (UNITED NATIONS) 2017. Wastewater the untapped resource 2017. UNESCO, 2017. Disponible en https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf0000247153
22
nacional, que permitan cumplir con los objetivos establecidos en la Política Nacional
para la Gestión Integral del Recurso Hídrico - PNGIRH, de tal manera, que se
garantice el uso eficiente del recurso en todo el territorio. Dentro de las principales
iniciativas, se incluye la regulación en el uso y consumo de agua por parte de los
diferentes sectores productivos del país. En Colombia, según el Ministerio de
Ambiente y Desarrollo Sostenible (MADS), el 46.6% del agua disponible es
empleada por el sector agrícola, particularmente en el riego de cultivos, por lo cual
este sector se convierte en un potencial usuario de aguas residuales o
contaminadas ya sea de manera directa o indirecta 46 47. Sin embargo, aunque las
AR deberían recibir tratamiento para ser utilizadas como agua de riego, en países
de bajos ingresos se usan frecuentemente en forma directa, con los riesgos que
esto conlleva en términos de exposición de trabajadores y consumidores a parásitos
bacterianos, amébicos, virales y nematodos, así como a contaminantes orgánicos,
químicos y metales pesados. Además, que las cosechas cultivadas con aguas
residuales sin tratar no pueden exportarse y su acceso a los mercados locales está
restringido, al menos parcialmente 48
Por lo anterior, la reutilización de aguas contaminadas se constituye en una
estrategia sustentable de gestión de los recursos hídricos no solo para reducir el
consumo de agua dulce, sino para satisfacer los requerimientos hídricos del sector
agrícola. Para el tratamiento de aguas residuales y superficiales con algún grado de
contaminación, se usan diversos procesos asociados a las características químicas
y concentración de los agentes contaminantes. El desarrollo de los procesos
industriales ha generado compuestos químicos exógenos a la composición del
medio ambiente y extraños al metabolismo natural de los seres vivos; que una vez,
se vierten a las aguas superficiales son de difícil degradación por parte de los
tratamientos biológicos convenciones. Por esta razón, se requiere de tratamientos
complementarios para eliminar contaminantes de difícil degradación para el medio
ambiente49. Entre las diferentes tecnologías propuestas para este fin, se encuentran
los procesos de oxidación avanzada (POAs) especialmente la fotocatálisis, que ha
tenido diferentes aplicaciones en la descontaminación de los recursos naturales,
46 BEJARANO OSORIO, Erika Yohanna; PÉREZ, CORTES; Jeimy. Propuesta para el diseño de un sistema de tratamiento y aprovechamiento del agua residual tratada para uso agrícola en el barrio Holanda, vereda Pueblo Viejo-Facatativá. Trabajo de grado en Ingeniería Ambiental y Sanitaria. Bogotá: Universidad de La Salle, Facultad de Ingeniería, 2017. 171 p. 47 LASSO, Julián; RAMÍREZ, José Luis. Perspectivas generales del efecto del reúso de aguas residuales para riego en cultivos para la producción de biocombustibles en Colombia. En: El hombre y la máquina. 2011. no 36, p. 95-105. 48 WORLD WATER ASSESSMENT PROGRAMME (UNITED NATIONS). Water for People, Water for Life. Op. cit. 49 EMAM, Op. cit.
23
entre ellos la fotocatálisis heterogénea con TiO2 que son métodos eficientes para la
remediación de fuentes hídricas50 51.; garantizan la remoción de sustancias
orgánicas, así como microrganismos patógenos 52 53 54. La fotocatálisis
heterogénea, ofrece ventajas como la estabilidad química del TiO2, el bajo costo del
catalizador, la mineralización total de contaminantes orgánicos y la eficiencia en
compuestos halogenados a veces muy tóxicos para las bacterias. Así mismo, esta
técnica permite la combinación con otros métodos de descontaminación, en
particular procesos biológicos.
Su importancia radica en la simplicidad del proceso, que no genera impactos al
medio ambiente. Además, el catalizador (TiO2) es un compuesto fotoestable, no
tóxico, de bajo costo y estable en el agua en diversas condiciones experimentales 55 56. Este óxido metálico requiere de luz ultravioleta para que sea activo en procesos
de remediación de fuentes hídricas, por lo tanto, para lograr una mayor eficiencia
del proceso se requiere de dos acciones bien diferenciadas, que consisten en i) la
modificación estructural del TiO2 que permita optimizar el uso de la luz solar para su
activación en procesos catalíticos o ii) la implementación de sistemas económicos
que generen energía para la operación de lámparas de luz UV para la activación del
catalizador y/o depuración biológica.
En pro de cumplir con las metas establecidas por los Objetivos de Desarrollo
Sostenible (ODS) y la Política Nacional para la Gestión Integral del Recursos Hídrico
(PNGIRH), referente al uso del agua, la implementación de medidas de uso eficiente
y de sistemas de tratamiento como la fotocatálisis heterogénea, podría tener un
efecto positivo en la reducción de costos tanto económicos como ambientales. El
uso de aguas contaminadas tratadas en el sector agrícola puede satisfacer la
demanda de los sistemas de riego y de esta manera proporcionar beneficios
ambientales y económicos al sector57 58 siempre y cuando se cumpla con los
50 CARP, Oana; HUISMAN, Carolien L.; RELLER, Armin. Photoinduced reactivity of titanium dioxide. En: Progress in solid state chemistry. 2004. Vol. 32, no 1-2, p. 33-177. 51 FUJISHIMA, Akira; RAO, Tata N.; TRYK, Donald A. Titanium dioxide photocatalysis. En: Journal of photochemistry and photobiology C: Photochemistry reviews. 2000. Vol. 1, no 1, p. 1-21. 52ABDENNOURI, Mohamed, et al. Op. Cit. 53 CHEKIR, Nadia, et al. Op. Cit. 54 CHONG, Meng Nan, et al. Op. Cit. 55 ibidem. 56 LAI, Chin Wei, et al. An overview: recent development of titanium oxide nanotubes as photocatalyst for dye degradation. En: International Journal of Photoenergy. 2014. Vol. 2014, p 15. 57 BEJARANO OSORIO, Erika Yohanna; PÉREZ, CORTES Jeimy. Op. Cit. 58 SILVA, Jorge; TORRES, Patricia; MADERA, Carlos. Op. Cit.
24
parámetros establecidos en la resolución 1207 de 201459 y el acuerdo 043 del
200660.
Con el presente trabajo, se pretende estudiar la viabilidad de construcción y
eficiencia de un dispositivo portátil para el tratamiento de aguas superficiales de la
cuenca baja del río Bogotá que podría ser implementado por las comunidades
asentadas en áreas de difícil acceso, para satisfacer la demanda hídrica de los
cultivos de la región; implementando métodos eficientes en la degradación de
compuestos orgánicos y microrganismos patógenos. Así mismo promover el uso de
sistemas a pequeña escala, auto-sostenibles y económicos frente a los sistemas
convencionales.
ESTADO DEL ARTE
En los últimos años, ante la creciente preocupación acerca del aumento en la
demanda hídrica mundial se han llevado a cabo estudios que pretenden dar una
solución eficiente para el tratamiento de aguas provenientes de diversas
actividades. Se han usado tratamientos físicos, químicos o combinados, que han
demostrado tener éxito en la remoción de contaminantes orgánicos e inorgánicos.
Entre las técnicas novedosas se citan los procesos de oxidación avanzada (POA’s).
Ejemplo de ello Mojtaba et al., 2018 61. quienes investigaron los efectos de la
radiación solar junto con las nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) aplicadas a
la optimización de los procesos de fotólisis y fotocatálisis para inactivar bacterias
heterotróficas, demostraron las eficiencias de desinfección de los procesos de
fotólisis solar y fotólisis solar concentrada y demostrando su eficiencia para la
desinfección de efluentes de aguas residuales lácteas. Murcia et al., 2017 62
evaluaron una serie de fotocatalizadores basados en TiO2 para la eliminación de
Escherichia coli de aguas residuales urbanas, en donde se descubrió que la
sulfatación aumenta considerablemente el valor SBET del TiO2 y promueve la
formación de la fase anatasa. Se evaluaron diferentes intensidades de luz en las
pruebas fotocatalíticas y se estableció que 120 W/m2 conduce a obtener una mayor
59 MINISTERIO DE AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE. Resolución número 1207 de 2014. Op. Cit. 60 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE CUNDINAMARCA – CAR. Acuerdo número 43. Op. Cit. 61 AFSHARNIA, Mojtaba, et al. Disinfection of dairy wastewater effluent through solar photocatalysis processes. Water Science and Engineering. 2018. Vol. 11, no 3, p. 214-219. 62 MURCIA, Julie, et al. Study of the E. coli elimination from urban wastewater over photocatalysts based on metallized TiO2. En: Applied Catalysis B: Environmental. 2017. Vol. 200, p. 469-476.
25
eliminación de E. coli en muestras de aguas residuales. Otros autores han
desarrollado estructuras para la aplicación de la fotocatálisis heterogénea.
Threrujirapaponga et al., 2017 63 por ejemplo, crearon reactores fotocatalíticos a
escala de laboratorio, a escala piloto y a escala industrial para investigar la eficiencia
de la fotocatálisis en el tratamiento de aguas residuales. Los resultados sugirieron
que el pH no tuvo efectos sobre la eliminación de la demanda química de oxígeno
(DQO), mientras que la eficiencia de eliminación de (DQO) se incrementó con
mayores concentraciones del TiO2. La mayor eficiencia de eliminación de DQO del
85% se encontró en una concentración de TiO2 de 1g/L; Rizzo et al., 201464
Investigaron el efecto de la fotocatálisis de TiO2 sobre la inactivación de una cepa
de Escherichia coli resistente a antibióticos, seleccionada de un efluente de la planta
de tratamiento de aguas residuales urbanas. Se evaluaron diferentes fuentes de luz
que incluyen una lámpara de amplio espectro de 250W, una lámpara UV-A de 125W
y radiación solar, así como diferentes concentraciones de fotocatalizador (TiO2) y
determinaron que, con radicación solar, la mayor eficiencia de inactivación (93,17%)
se da después de 10 minutos con una concentración de 0,05 g de TiO2 /L.
Hossain et al., 201465 En su artículo de revisión abordan el TiO2 como la
nanopartícula más comúnmente utilizada para inactivar patógenos en el agua al
tener una amplia gama de aplicaciones industriales. La inactivación de
microorganismos depende de varios factores, por ejemplo, de la concentración de
TiO2, el tipo de microorganismo, la intensidad y longitud de onda de la luz, el grado
de hidroxilación, el pH, la temperatura, la disponibilidad de oxígeno y tiempo de
retención 66 67. Además afirman que la partícula de TiO2 puede inactivar
microorganismos bajo radiación UV/solar al formar algunas especies reactivas de
oxígeno (ROS) como el radical hidroxilo (• OH), el radical superóxido (O2 • -) y el
63 THRERUJIRAPAPONG, Thotsaphon; KHANITCHAIDECHA, Wilawan; NAKARUK, Auppatham. Treatment of high organic carbon industrial wastewater using photocatalysis process. En: Environmental nanotechnology monitoring & management. 2017. vol. 8, p. 163-168. 64 RIZZO, Luigi, et al. Disinfection of urban wastewater by solar driven and UV lamp–TiO2 photocatalysis: Effect on a multi-drug resistant Escherichia coli strain. En: Water research. 2014. Vol. 53, p. 145-152. 65 HOSSAIN, Fahim, et al. Antimicrobial nanomaterials as water disinfectant: applications, limitations and future perspectives. En: Science of the total environment. 2014. vol. 466, p. 1047-1059. 66 WEI, Chang, et al. Bactericidal activity of TiO2 photocatalyst in aqueous media: toward a solar-assisted water disinfection system. En: Environmental science & technology. 1994. Vol. 28, no 5, p. 934-938. 67 MARKOWSKA-SZCZUPAK, Agatha; ULFIG, Krzysztof; MORAWSKI, Antoni. The application of titanium dioxide for deactivation of bioparticulates: an overview. En: Catalysis Today. 2011. vol. 169, no 1, p. 249-257.
26
peróxido de hidrógeno (H2O2) 68 69 70. Hacen evidente que el TiO2 puede ser un
candidato alternativo prometedor para la desinfección del agua. Las partículas más
pequeñas, que exhiben grandes valores de área de superficie específica, pueden
liberar de manera efectiva radicales libres para facilitar el proceso de inactivación71.
4. MARCO TEÓRICO
Contaminación del Agua – Río Bogotá
En la actualidad a nivel mundial se enfrenta un déficit de agua con tendencia al
aumento por el incremento en la temperatura terrestre y el inadecuado manejo que
se da al recurso hídrico sobre todo en los países en vía de desarrollo72 73. La calidad
del agua se ve amenazada por los vertimientos domésticos, industriales, agrícolas
y los residuos que se introducen en los cuerpos de agua74, de tal forma que se ve
amenazado el bienestar de las generaciones actuales y futuras.
La ubicación geográfica, la variada topografía y el régimen climático que
caracterizan el territorio colombiano, han determinado que éste posee una de las
mayores ofertas hídricas del planeta75 76. Sin embargo, la calidad del agua se ha
visto alterada en su mayoría por procesos de urbanización debido a la presencia de
contaminantes entre los cuales se incluyen metales, compuestos orgánicos y
recientemente residuos de fármacos que consume la población77. El deterioro de la
calidad de los recursos hídricos superficiales en las cuencas colombianas se ha
incrementado debido a la disposición de aguas residuales (AR) de origen doméstico
y agroindustrial; sin considerar los objetivos de calidad de los cuerpos hídricos
68 SUNADA, Kayano, et al. Bactericidal and detoxification effects of TiO2 thin film photocatalysts. En: Environmental science & technology. 1998. Vol. 32, no 5, p. 726-728. 69 CHO, Min, et al. Different inactivation behaviors of MS-2 phage and Escherichia coli in TiO2 photocatalytic disinfection. En: Applied and Environmental Microbiology. 2005. Vol. 71, no 1, p. 270-275. 70 LI, Qilin, et al. Antimicrobial nanomaterials for water disinfection and microbial control: potential applications and implications. En: Water research. 2008. Vol. 42, no 18, p. 4591-4602. 71 HOSSAIN, Fahim, et al. Op. Cit. 72 MELÉNDEZ-PÉREZ, Julisse Andrea, et al. Reutilización de aguas grises domésticas para el uso eficiente del recurso hídrico: aceptación social y análisis financiero. Un caso en Portugal. En: Revista UIS Ingenierías. 2019. Vol. 18, no 1, p. 223-236. 73 IDEAM, Estudio Nacional del Agua 2014. Op. Cit 74 MORALES-MEJÍA, Julio.; ALMANZA, Rafael; GUTIÉRREZ, Filiberto. Op. Cit. 75 IDEAM, IAvH, Invemar, SINCHI e IIAP. Op. cit,148. 76 MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Política nacional para la gestión integral del recurso hídrico. Bogotá, Marzo de 2010. Imprenta Nacional de Colombia. 77 ROLDAN, GABRIEL et al. Op. cit, p. 176.
27
receptores 78 79. Adicionalmente, por procesos de deforestación, pérdida de suelos,
disposición basuras y desechos domésticos, lo que se traduce en pérdida de la
capacidad de los mismos de mantener los flujos de agua necesarios para la
satisfacción de las necesidades de la población80.
La carga orgánica biodegradable (DBO5) vertida a los sistemas hídricos después de
tratamiento en Colombia durante el año 2012 alcanzó 756.945t/año, que equivalen
a 2.102 t/día. Del total de cargas vertidas a las fuentes hídricas, la industria aporta
el 28%, el sector doméstico el 69% y el sector cafetero 3%. Según el informe del
estado del medio ambiente y los recursos naturales en el 2011 y el índice de calidad
del agua, una de las cuencas más afectadas por dichos vertimientos, corresponde
a la del rio Magdalena, donde los sitios que muestran mayor afectación son los
tramos del río Bogotá en el Distrito Capital, en los municipios de Apulo, Tocaima y
Girardot, así como los afluentes entre Girardot y Nariño por la presencia del relleno
sanitario. En relación con las concentraciones de contaminantes identificados en el
río Bogotá, la cuenca media presenta concentraciones de demanda bioquímica de
oxígeno DBO de 97 mg/L, de DQO de 291 mg/L y SST de 124 mg/L. En relación
con la presencia de metales pesados, en la cuenca media del río Bogotá, a la salida
del Distrito Capital, se midió una carga de cerca de 900 kg/día, siendo los principales
metales cromo (430 kg) y zinc (410 kg).
La contaminación generada por los vertimientos, con deficiente tratamiento o sin él,
la población en crecimiento, así como, los vertimientos de las actividades
productivas de una economía concentrada a lo largo de corredores industriales, ha
afectado de la calidad del recurso hídrico con el consecuente efecto sobre la
disponibilidad para diferentes usos. De allí la necesidad del uso e implementación
de sistemas de tratamiento que permitan mitigar dicha afectación.
Sistemas de Tratamiento
En Colombia la distribución heterogénea de la oferta de agua, de la población y de
las actividades económicas en las diferentes regiones del país, hacen que la
relación oferta - demanda sea menos favorable en aquellas zonas donde la
78 JARAMILLO, María Fernanda, et al. Integración de los modelos WEAP y QUAL2K para la simulación de la calidad agua de fuentes superficiales. Caso de estudio: Cuenco del Río la Vieja, Colombia. En: Aqua-LAC. 2016. Vol. 8, no 2, p. 14-24. 79 MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Política nacional para
la gestión integral del recurso hídrico. Op. cit. 80 IDEAM, IAvH, Invemar, SINCHI e IIAP. Op. cit,148.
28
disponibilidad hídrica es menor, es decir donde las fuentes de abastecimiento son
reducidas y mayores las concentraciones de demanda por el exceso de población.
Esto sumado a la problemática asociada a la calidad del recurso hídrico ha
generado el incremento en la instalación y puesta en funcionamiento de sistemas
de tratamiento. Sin embargo, se estima que únicamente el 32,33% de los municipios
del país (incluido el Distrito Capital) cuentan con sistemas de tratamiento de aguas
lo cual se puede calificar como una baja cobertura. De los 75,95 m3/s de aguas
residuales municipales que se produjeron en el país en el año 2010, se trataron
18,93 m3/s es decir únicamente el 27%81. Lo que nos indica que, si bien hay un
número importante de sistemas de tratamiento implementados o en proceso de ello,
la operación y mantenimiento se convierte en un gran reto, pues solo el 51% de
ellos presenta un funcionamiento bueno o regular. Esta situación se debe al
desconocimiento, o a la poca importancia que se da a la operación y mantenimiento.
Otra de las causas, es la falta de sostenibilidad financiera de los sistemas, pues el
77% de los casos no se elabora un estudio de impacto tarifario y en el 80% de los
casos no se han utilizado las metodologías establecidas por la Comisión de
Regulación de Agua Potable y Saneamiento Básico; lo que implica que los sistemas
construidos no tienen garantizada su sostenibilidad.
Los sistemas convencionales instalados para el de tratamiento de las aguas
contaminadas sean residuales o superficiales, requieren de un tratamiento
preliminar adecuado. Este tratamiento preliminar tiene como objetivo remover todo
lo que sea perjudicial o inhibitorio para la eficiencia del sistema de tratamiento
posterior. El pretratamiento o tratamiento preliminar incluye operaciones y procesos
de tratamiento para satisfacer objetivos como remoción de grasas y aceite, sólidos
en suspensión, neutralización de pH, remoción de sustancias toxicas, arenas entre
otros. Posteriormente se consideran los tratamientos primarios mediante procesos
físicos o químicos que incluye la sedimentación de sólidos con ayuda de
coagulantes o sin ellos. En aguas residuales es un proceso que remueve entre el
20% y el 40% de la DBO y 50-60% de sólidos en suspensión. En aguas
contaminadas se utiliza este tratamiento para remover sólidos suspendidos.
Finalmente aparece el tratamiento secundario, que tiene como objetivo principal
reducir o mineralizar los compuestos orgánicos disueltos mediante un tratamiento
biológico, es decir, mineralizar por actividad biológica el contenido orgánico
biodegradable en el medio acuoso. Este puede darse a través de procesos aerobios,
81 ROJAS ESCOBAR, María Camila; BONILLA, Luis Felipe Tovar; CUÉLLAR, Jonathan Romero. Op. Cit.
29
facultativos y anaerobios entre los cuales se incluye el uso de sistemas como lodos
activados, lagunas de oxidación, filtros biológicos entre otros.
Dentro de los tratamientos primarios usados con mayor frecuencia se encuentran
los sistemas de filtración que usan como principio procesos físicos como la
adsorción para la remoción de diferentes contaminantes.
Este proceso se origina por interacciones débiles de largo alcance (fuerzas de van
der Waals), lo que facilita que partículas, o iones queden atrapados sobre la
superficie de un material. La adsorción es una técnica que se usa con frecuencia
para la remoción de contaminantes en aguas alteradas por una versatilidad de
compuestos con el fin de evitar que las moléculas se transformen o degraden,
evitando la generación de compuestos más reactivos y tóxicos que los
contaminantes originales 82.
La adsorción es una de las técnicas más versátiles y aceptadas por su sencillez y
economía, frente a los elevados costos de inversión que requieren los tratamientos
convencionales. Por medio de este proceso, se eliminan compuestos estables
dando como resultado efluentes de mejor calidad. El carbón activado es el
adsorbente usado con mayor frecuencia para diferentes contaminantes presentes
en agua, debido a su alta capacidad de adsorción de materia orgánica. Sin embargo,
el alto costo de su producción limita su aplicación en el tratamiento de AR83. Por lo
tanto, se ha incrementado la búsqueda de otros materiales de costo más bajo,
naturales, abundantes y renovables.
Características como la densidad de las partículas, el área superficial, la porosidad,
las propiedades físico-químicas de la superficie, la presencia o ausencia de grupos
funcionales, la composición elemental, las propiedades térmicas y el pH de la
superficie del material determinan la eficiencia del proceso de adsorción. 84. De esta
forma los adsorbentes no-convencionales (Tejidos Vegetales, tallos, hojas,
cáscaras, semillas, raíces, etc.) permiten atrapar o retener moléculas, átomos o
82 SIVARAJ, Rajeshwari; NAMASIVAYAM, C.; KADIRVELU, K. Orange peel as an adsorbent in the removal of acid violet 17 (acid dye) from aqueous solutions. En: Waste management. 2001. Vol. 21, no 1, p. 105-110. 83 VALLADARES-CISNEROS, Maria Guadalupe, et al. Adsorbentes no-convencionales, alternativas sustentables para el tratamiento de aguas residuales. En: Revista Ingenierías Universidad de Medellín. 2017. Vol. 16, no 31, p. 55-73. 84 MOURAO, P. A. M.; CARROTT, Peter; CARROTT, Ribeiro. Application of different equations to adsorption isotherms of phenolic compounds on activated carbons prepared from cork. En: Carbon. 2006. Vol. 44, no 12, p. 2422-2429.
30
iones en su interior. Su estructura, presenta cavidades y poros que permiten retener
moléculas pequeñas, como los metales, hasta moléculas como los colorantes85.
Dentro de las características fundamentales de un buen adsorbente están su alta
porosidad, su gran superficie de contacto y que presente sitios específicos de
adsorción de tal forma que se incremente la velocidad de adsorción86.
A pesar de la complejidad y eficiencia de los sistemas convencionales, a causa de
la presencia de compuestos xenobioticos en el agua, se sigue en busca de
metodologías que permitan mejorar el rendimiento de las estaciones depuradoras
de aguas residuales (EDAR) convenciones, por lo cual se han establecido
tratamientos adicionales como los procesos de oxidación avanzada (AOP)87 88 89 90 91 92 que están ganando interés como tratamientos complementarios.
Procesos de Oxidación Avanzada (POA)
Los procesos de oxidación avanzada (POAs) se usan para controlar agentes
contaminantes específicos como fenoles, aldehídos, amoníaco, aminas, alcoholes,
color, cianuro, pesticidas, bifeniles, policlorados y otros compuestos orgánicos que
pueden tener efectos negativos sobre los organismos del cuerpo de agua receptor
de vertimientos. Los POA son procesos con agentes químicos como ozono, cloro,
oxigeno, H2O2, ClO2, peroximonosulfato de potasio, ferrato, óxidos de metales, y
fuente de energía como la radiación gamma, UV y visible, ultrasonido y corriente
electrónica, que incluye entre otros procesos de: fotólisis, fotocatálisis homogénea,
85 VALLADARES-CISNEROS, Maria Guadalupe, et al. Op. Cit. 86 HAMEED, Bassim; EL-KHAIARY, Mohammad. Malachite green adsorption by rattan sawdust: Isotherm, kinetic and mechanism modeling. En: Journal of Hazardous Materials. 2008. Vol. 159, no 2-3, p. 574-579. 87 DE LUCA, Giovanna, et al. Removal of indicator bacteriophages from municipal wastewater by a full-scale membrane bioreactor and a conventional activated sludge process: Implications to water reuse. En: Bioresource technology. 2013. Vol. 129, p. 526-531. 88 CAROTENUTO, Marco, et al. TiO2 photocatalytic degradation of caffeine and ecotoxicological assessment of oxidation by-products. En: Global Nest Journal. 2014. Vol. 16, no 3, p. 463-473. 89 LOFRANO, Giusy, et al. Photocatalytic degradation of the antibiotic chloramphenicol and effluent toxicity effects. En: Ecotoxicology and environmental safety. 2016. Vol. 123, p. 65-71. 90 LOFRANO, Giusy, et al. Advanced oxidation processes for antibiotics removal: a review. En: Current organic chemistry. 2017. Vol. 21, no 12, p. 1054-1067. 91 RASHEED, Tahir, et al. Reaction mechanism and degradation pathway of rhodamine 6G by photocatalytic treatment. En: Water, Air, & Soil Pollution. 2017. Vol. 228, no 8, p. 291. 92 RASHEED, Tahir, et al. TiO2/UV-assisted rhodamine B degradation: putative pathway and identification of intermediates by UPLC/MS. En: Environmental technology. 2018. Vol. 39, no 12, p. 1533-1543.
31
fotocatálisis heterogénea, ozonización, procesos fenton, procesos foto-fenton,
oxidación electroquímica, procesos hidrotérmicos.
En los POA se generan radicales hidroxilo libres altamente reactivos como el radical
hidroxilo libre (OH+), el radical aniónico superóxido O2-, el radical hidroperóxido
HO2- y los radicales orgánicos peróxidos ROO-, con un potencial electroquímico
oxidante alto que transforma sustancia toxicas en agua, CO2 y otros productos no
perjudiciales. El punto agregado al radical indica que existe un electrón sin pareja
en la órbita más externa que lo hace altamente reactivo con los compuestos
orgánicos ricos en electrones. Para promover la oxidación, el oxidante se pone en
contacto con el agua contaminada en condiciones de pH y temperatura apropiadas
para la reacción, así como también en presencia de un catalizador, el proceso
pretende oxidar el contaminante completamente en H2O y CO2 o en compuestos
menos objetables 93.
Entre las diferentes tecnologías propuestas como POAs la fotocatálisis heterogénea
es una técnica eficiente para destruir contaminantes orgánicos en el agua94 95 96 97 98 99
Fotocatálisis Heterogénea
El proceso de fotocatálisis heterogénea, es un proceso químico que se desarrolló
en 1972 y consiste en utilizar la radiación ultravioleta (UV) para fotoexcitar un
catalizador semiconductor en presencia de oxígeno. Dentro de este escenario, las
especies oxidantes (radicales hidroxilo) atacan a las sustancias oxidables
produciendo una degradación progresiva de las macromoléculas que producen
93 ROMERO, Rojas. Aguas Residuales Industriales. Editorial Escuela Colombiana de Ingenieros. Primera Edición, 2018. p. 142-145. 94 ZHANG, Hengzhong; FINNEGAN, Michael; BANFIELD, Jillian F. Preparing single-phase nanocrystalline anatase from amorphous titania with particle sizes tailored by temperature. En: Nano Letters. 2001. Vol. 1, no 2, p. 81-85. 95 AUGUGLIARO, Vincenzo, et al. Azo-dyes photocatalytic degradation in aqueous suspension of TiO2 under solar irradiation. En: Chemosphere. 2002. Vol. 49, no 10, p. 1223-1230. 96 PÉREZ HINCAPIÉ, Margarita, et al. Degradation of pesticides in water using solar advanced oxidation processes. En: Applied Catalysis B: Environmental. 2006. Vol. 64, no 3-4, p. 272-281. 97 MUHAMAD, Sulaiman Gafar. Kinetic studies of catalytic photodegradation of chlorpyrifos insecticide in various natural waters. En: Arabian journal of chemistry. 2010. vol. 3, no 2, p. 127-133. 98 ABDENNOURI, M., et al. Synthesis, characterization and photocatalytic activity by para-chlorotoluene photooxidation of tin oxide films deposited on Pyrex glass substrates. En: Physical and Chemical News. 2010. Vol. 54, p. 126-130. 99 BARKA, Noureddine, et al. Photocatalytic degradation of an azo reactive dye, Reactive Yellow 84, in water using an industrial titanium dioxide coated media. En: Arabian Journal of Chemistry. 2010. Vol. 3, no 4, p. 279-283.
32
CO2, H2O y ácidos inorgánicos diluidos100 . Cuando el TiO2 se irradia con fotones
cuya energía es igual o mayor que su energía de intervalo de banda, se genera un
par electrón hueco (Figura 2). En el sistema acuoso, los electrones hueco
reaccionan con el H2O u iones hidróxido (OH-) adsorbido en la superficie del
semiconductor para producir los radicales hidroxilo (OH°) que son las especies más
oxidantes en este proceso y que a su vez reaccionan con contaminantes, lo que
lleva a la mineralización total de los mismos101 102
Figura 2: Fotocatálisis Heterogénea
Fuente: Elaboración Propia
La fotocatálisis UV/TiO2 ha demostrado ser una tecnología ecológica, sostenible,
respetuosa con el medio ambiente y de bajo costo que permite abordar los
problemas energéticos y ambientales mediante la conversión y utilización de la
100 LOFRANO, G., et al. Municipal wastewater spiramycin removal by conventional treatments and heterogeneous photocatalysis. En: Science of the total environment. 2019. Vol. 624, p. 461-469. 101 ABDENNOURI, Mohamed, et al. Op. Cit. 102 DA COSTA, Elias; ZAMORA, Patricio P.; ZARBIN, Aldo JG. Novel TiO2/C nanocomposites: synthesis, characterization, and application as a photocatalyst for the degradation of organic pollutants. En: Journal of colloid and interface science. 2012. Vol. 368, no 1, p. 121-127.
33
energía solar 103 104. Para realizar oxidaciones fotocatalíticas, se requiere una fuente
de radiación para activar las partículas del catalizador. La energía por fotón
necesaria para promover la fotocatálisis depende de factores tales como la
molécula, la fase cristalina y las impurezas del catalizador. Para iniciar el proceso
de fotocatálisis con TiO2, es suficiente radiación UVA entre 300 y 400nm que puede
proporcionar fácilmente el sol, las lámparas UVA y los simuladores solares. La
energía solar es una fuente renovable y tiene un importante componente de UVA
de aproximadamente el 3,5% de la irradiación total, por lo que debe promoverse su
uso para procesos fotoquímicos105.
En términos del desarrollo de materiales fotocatalizadores, se han realizado
grandes esfuerzos para mejorar la actividad fotocatalítica. El catalizador más
comúnmente utilizado es el semiconductor TiO2, principalmente porque es un
abundante, poco costoso y de baja toxicidad 106. El tamaño y la forma de las
partículas de TiO2 influyen en las propiedades funcionales, la cantidad de defectos,
las temperaturas de transición de fase, la estabilidad de las diferentes fases y las
propiedades catalíticas 107 108. Diferentes estudios han evidenciados que la fase
anatasa de TiO2 es la más eficaz para la fotocatálisis 109 110. Aunque no hay
diferencias en la magnitud de la brecha de banda entre la fase de rutilo
termodinámicamente estable y la fase de anatasa, la primera no tiene resultados
representativos que muestren que es un fotocatalizador. La explicación principal de
este comportamiento se basa en la capacidad de adsorción de moléculas orgánicas
103 MENG, Fanpeng, et al. Temperature dependent photocatalysis of g-C3N4, TiO2 and ZnO: Differences in photoactive mechanism. En: Journal of colloid and interface science. 2018. Vol. 532, p. 321-330. 104 YE, Jinshao, et al. Heterogeneous photocatalysis of tris (2-chloroethyl) phosphate by UV/TiO2: Degradation products and impacts on bacterial proteome. En: Water research. 2017. Vol. 124, p. 29-38. 105 MORALES-MEJÍA, Julio; ALMANZA, Rafael; GUTIÉRREZ, Filiberto. Op. Cit. 106 MALATO, Sixto, et al. Photocatalytic treatment of water-soluble pesticides by photo-Fenton and TiO2 using solar energy. En: Catalysis Today. 2002. Vol. 76, no 2-4, p. 209-220. 107 CHEN, Daimei, et al. Carbon and nitrogen co-doped TiO2 with enhanced visible-light photocatalytic activity. En: Industrial & engineering chemistry research. 2007. Vol. 46, no 9, p. 2741-2746. 108 LEARY, Rowan; WESTWOOD, Aidan. Carbonaceous nanomaterials for the enhancement of TiO2 photocatalysis. En: Carbon. 2011. Vol. 49, no 3, p. 741-772. 109 WANG, Hui; LEWIS, J P. Second-generation photocatalytic materials: anion-doped TiO2. En:Journal of Physics: Condensed Matter. 2005. Vol. 18, no 2, p. 421. 110 PANG, Yean Ling; ABDULLAH, Ahmad Zaharin; Bhatia, Sangeeta. Comparison of Sonocatalytic Activities on the Degradation of Rhodamine B in the Presence of TiO2 Powder and Nanotubes.En: Journal of Applied Sciences. 2010. Vol 10, p. 1068-1075.
34
en la cara de cristal expuesta de las diferentes fases de TiO2, que es muy favorable
en la estructura de anatasa y desfavorable en la estructura de rutilo 111 112.
Uso de aguas residuales tratadas
El uso de agua proveniente de fuentes alternativas, son una opción importante para
comunidades que están sufriendo por escasez de agua potable, dado que
potencialmente pueden: (i) utilizar esta agua en actividades que no requiere la
calidad de agua apta para consumo, (ii) incrementar las fuentes de abastecimiento
para satisfacer las necesidades de agua presentes y futuras; (iii) proteger los
ecosistemas acuáticos disminuyendo la extracción de agua dulce, lo cual reduce
capacidad de dilución de los cuerpos de agua; (v) cumplir la normativa ambiental
mediante una mejor gestión del consumo de agua y descarga de aguas
residuales113.
En Colombia se ha utilizado el agua residual principalmente para el riego de cultivos
con poco o ningún tratamiento114. Desde el año 1998 se han desarrollado estudios
de factibilidad técnica y propuestas para reutilizar el agua residual 115 116
evidenciando que la opción de reutilización de aguas residuales es viable en
términos de disponibilidad y disminución del impacto ambiental de estas aguas en
los cuerpos receptores. En términos de normas sobre reutilización de aguas
residuales tratadas para riego agrícola, Colombia se acoge las normas
internacionales establecidas por la FAO y OMS. A nivel nacional la resolución 1207
por la cual se adoptan disposiciones relacionadas con el uso de aguas residuales
111 ZHANG, Qiao, et al. Self-assembly and photocatalysis of mesoporous TiO2 nanocrystal clusters. En: Nano Research. 2011. Vol. 4, no 1, p. 103-114. 112 DA COSTA, Elias; ZAMORA, Patricio P.; ZARBIN, Aldo JG. Op. Cit. 113 ROLDAN, GABRIEL et al. Op. cit, p. 176. 114 SILVA, Jorge; TORRES, Patricia; MADERA, Carlos. Op. Cit. 115 VANEGAS GALVEZ, Mario, CEPIS; OPS; OMS; IDRC. Es- tudio general sobre la situación de las aguas residuales de la ciudad de Ibagué, Colombia. En: Biblioteca Virtual de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental –BVDSDE Organización Panamericana de la Salud. Mayo 2001. [Citado 15 Septiembre 2019]. Disponible en <http://www.bvsde.paho.org/bvsaar/e/proyecto/complemen/casos/ibague.pdf > 116 OSORIO, Julia Andrea. Estrategia de evaluación de usos conjuntivos del agua, incluyendo reuso para contribuir con la seguridad alimentaria de distritos agroalimentarios proyectados en el Valle del Cauca, Colombia. Tesis de Maestría en Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Cali: Universidad del Valle, Facultad de Ingeniería, 2006.
35
tratadas117, donde dentro del uso agrícola se permite la utilización de las aguas
residuales tratadas en cultivos no alimenticios, en áreas verdes, campos deportivos
y áreas no domiciliarias118.
Aunque las aguas residuales deberían recibir tratamiento para ser utilizadas como
agua de riego, en países de bajos ingresos y en vía de desarrollo como Colombia,
se usan frecuentemente en forma directa. Al no recibir un tratamiento previo, se
generan riesgos en términos de exposición de trabajadores y consumos de
parásitos bacterianos, amébicos, virales y nematodos, así como de contaminantes
orgánicos, químicos y de metales pesados. Es por ello que los proyectos de
reutilización de aguas residuales tratadas actualmente cobran especial interés
porque son la única forma de ampliar la oferta hídrica de un ecosistema y una
alternativa para evitar la contaminación de las fuentes hídricas119. En este sentido,
los proyectos de reutilización de agua residual son considerados como medidas de
adaptación al cambio climático que promueven una gestión ambiental más
sostenible 120
A nivel mundial en 2006 la Organización mundial de la salud (OMS) publicó guías
de uso de aguas residuales, excretas y aguas grises, que son una herramienta de
manejo preventivo de aguas residuales en agricultura, para maximizar la seguridad
para la salud pública. De la misma forma, la Organización de las Naciones Unidas
para la Alimentación y la Agricultura (FAO) publicó en 1999 la guía sugerida para
aguas tratadas en el reúso agrícola y sus requerimientos de tratamiento. Sin
embargo, cada país cuenta con normatividad especifica tomando como referente lo
estipulado por la EPA en términos de clasificación de tipos de reúsos y los criterios
de calidad establecidos por la OMS y la FAO (Figura 3).
117 MINISTERIO DE AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE. Resolución número 1207 de 2014. Op. Cit. 118 BEJARANO OSORIO, Erika Yohanna; PÉREZ, CORTES Jeimy. Op. Cit. 119 YI, Lili; JIAO; Wentao; CHEN, Xiaoning; CHEN, Weiping. An overview of reclaimed water reuse in China. En: Journal of Environmental Sciences. 2011. Vol., 23, no 10, p. 1585-1593. 120 ROJAS ESCOBAR, María Camila; BONILLA, Luis Felipe Tovar; CUÉLLAR, Jonathan Romero. Op. Cit.
36
Figura 3: Normatividad asociada al uso de aguas residuales tratadas
Fuente: Elaboración Propia
En Colombia, por ejemplo, la normatividad asociada al uso del recurso hídrico para
diferentes fines y los criterios de calidad para los mismos se establecieron en el
Decreto 1594 de 1984. El capítulo IV contempla los Criterios de Calidad para
destinación del recurso. Sin embargo, este decreto fue derogado en 2010 por el
Decreto 3930 donde se establece el Ordenamiento del Recurso Hídrico y se estipula
que la Autoridad Ambiental Competente deberá realizar el Ordenamiento del
Recurso Hídrico con el fin de realizar la clasificación de las aguas superficiales,
subterráneas y marinas, fijar en forma genérica su destinación a los diferentes usos
y sus posibilidades de aprovechamiento. Entiéndase como Ordenamiento del
Recurso Hídrico, el proceso de planificación del mismo, mediante el cual la
autoridad ambiental competente define entre otros los objetivos de calidad a
alcanzar en el corto, mediano y largo plazo. Teniendo en cuenta esta premisa la
Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca (CAR) en el acuerdo número
043 del 17 de octubre de 2006121 establecen los objetivos de calidad del agua para
la cuenca del río Bogotá a lograr en el año 2020. Que en su artículo primero clasifica
los usos del agua para la cuenca del río Bogotá y valores de los parámetros de
calidad a aplicar por clase de la siguiente manera: CLASE I: corresponde a los
valores de los usos del agua para consumo humano y doméstico con tratamiento
convencional, preservación de flora y fauna, uso agrícola y uso pecuario. CLASE II:
corresponde a valores de los usos del agua para consumo humano y doméstico con
tratamiento convencional, uso agrícola con restricciones y uso pecuario y CLASE IV
corresponde a valores de los usos agrícola con restricciones y pecuario.
121 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE CUNDINAMARCA – CAR. Acuerdo número 43. Op. Cit.
37
5. DISEÑO METODOLÓGICO
5.1 Diseño y construcción del dispositivo
El sistema portátil se construyó con dos unidades de tratamiento. Un sistema de
filtración con arena, que se usó como pretratamiento o tratamiento complementario
al proceso de oxidación; una unidad de desinfección por luz ultravioleta de 30 mJ/cm2
y longitud de onda de 254nm. La lampara de luz ultravioleta actúa como fuente de
radiación artificial para el proceso de fotocatálisis heterogénea con TiO2, a través
de un proceso de recirculación realizado por la bomba solar sumergible de corriente
continua. Finalmente, una unidad de almacenamiento y mezcla para el proceso de
fotocatálisis Heterogénea. El abastecimiento de energía del sistema se realizó con
paneles solares.
5.2 Toma de muestras y caracterización del Agua superficial
Para la realización del estudio se tomaron muestras de agua superficial
provenientes del Río Bogotá tomadas en la vereda Portachuelo, coordenadas
4°18'22.1" N y 74°46'32.5"W del municipio de Girardot – Cundinamarca (Figura 4).
Se recolectaron 40 litros de agua para cada ensayo, que fueron trasportados al
laboratorio de aguas de la Universidad de Cundinamarca en recipientes de 20 Litros.
Los parámetros para la recolección, preservación y análisis de las muestras
siguieron los protocolos establecidos en manual estándar de métodos para el
análisis de agua y aguas residuales122Figura 4.
122 BAIRD, Rodger, et al. Standard methods for the examination of water and wastewater. Washington, DC: American Public Health Association. 2012.
38
Figura 4: Punto de muestreo y trasporte de muestras de agua superficial Río Bogotá
Fuente: Google Maps
5.3 Diseño experimental
En este trabajo de investigación se evaluó la variación en la concentración de
Carbono Orgánico Total (COT) y microrganismos patógenos en muestras de agua
a partir del control y manejo de diferentes variables que intervienen en los procesos
de sedimentación, filtración y fotocatálisis. Se ejecutaron diferentes fases
experimentales entre las cuales se contempló la concentración del catalizador
(TiO2), la radiación UV, el tiempo de retención en el sistema y el pretratamiento
utilizado (Sedimentación).
39
Para la evaluación del dispositivo, la muestra del día 1 fue sometida a un proceso
de filtración y desinfección con la lampara de luz UV, durante un periodo de tres
horas, tal como se observa en la Figura 5. Se realizó la caracterización de la muestra
en el tiempo cero (0) y se tomaron muestras durante tres horas con intervalos de 30
minutos para Carbono Orgánico Total y cada hora para el análisis de Coliformes
totales (CT). Adicionalmente se monitorearon pH, turbidez y conductividad eléctrica.
Figura 5: Ensayo Día 1 Filtración – Desinfección
Fuente: Elaboración Propia
Para el ensayo numero dos se tomó una nueva muestra del rio Bogotá, la cual fue
ingresada en el sistema para monitorear tanto el proceso de desinfección, como la
degradación de compuestos orgánicos. Por lo tanto, a los 40 litros de agua a tratar
se adicionó el dióxido de Titanio (TiO2), manteniendo una concentración de 0.25g/L.
La muestra ingreso al sistema y se recirculó por la lámpara ultravioleta para
favorecer las condiciones de la fotocatálisis heterogénea durante 180 minutos como
se observa en la Figura 6A. Se realizó la caracterización de la muestra en el tiempo
cero (0) y se tomaron muestras durante las tres horas con intervalos de 30 minutos
para Carbono Orgánico Total y cada hora para el análisis de CT. Una vez finalizada
la etapa de fotooxidación, se abrió la llave paso que permitió la filtración rápida de
la muestra a través del filtro de arena y su recirculación durante 30 minutos (Figura
6B) y se tomaron muestras para el análisis de COT y Coliformes Totales (CT).
Adicionalmente durante los 210 minutos se monitorearon pH, turbidez y
conductividad eléctrica.
40
Figura 6: Ensayo Día 2 Fotocatálisis UV/TiO2 – Filtración
Fuente: Elaboración Propia
5.3 Caracterización de la muestra
Para la caracterización de las muestras de agua se realizaron los ensayos de
Carbono orgánico Total (COT) en el laboratorio del grupo de investigación Catálisis
de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), y determinación
de Coliformes totales (CT) por filtración por membrana, turbidez, conductividad
eléctrica y pH.
41
5.3.1 Carbono orgánico Total (COT)
Para la determinación del grado de mineralización compuestos orgánicos a lo largo
de los tratamientos fotocatalíticos se midió el Carbono Orgánico Total, que es una
medida indirecta del contenido total (mg/L) de compuestos orgánicos de la muestra.
Se usó un analizador de COT Multi N/C 2100, analytikjena.
Este equipo utiliza la oxidación química del Carbono a CO2 y posteriormente, lo
cuantifica mediante un detector de infrarrojo (IR). El equipo permite analizar tres
parámetros, Carbono Total (CT), Carbono Inorgánico Total (CIT) y Carbono
Orgánico Total (COT). Las muestras del seguimiento fotocatalítico fueron filtradas y
posteriormente inyectadas al analizador de COT, pasando a un horno a una
temperatura de 750°C, en este se encuentra un tubo de combustión con catalizador
de Pt (pellets), el CO2 pasa al detector IR.
5.3.2 Filtración por Membrana
Se realizó en el laboratorio Control de Calidad –Análisis de Aguas y Alimentos. Los
análisis se realizaron mediante el método de filtración por membrana (método 9222)
Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 2012),
empleando como medio de cultivo el Agar para Coliformes Chromocult®123.
Después de incubar las placas por 24 horas a 37 °C, se realizó el conteo de colonias
desarrolladas en el filtro. Los resultados de concentración bacteriana en las
muestras analizadas se reportaron en términos de unidades formadoras de colonia
(UFC)/100 mL de muestra de agua.
5.3.3. pH, Turbidez y Conductividad Eléctrica
El pH y la conductividad eléctrica se midieron directamente con los electrodos del
laboratorio de aguas de la Universidad de Cundinamarca (Figura 7).
123 BAIRD, Rodger, et al. Op. cit.
42
Figura 7: Determinación de Turbidez, Conductividad Eléctrica y pH
Fuente: Elaboración Propia
La turbidez se midió usando el equipo HI 93703 Hanna instruments (Figura 7).
Se tomaron tres muestras adicionales de 40 Litros, que fueron Figura 8: Ensayo Día
ingresadas al sistema de filtración rápida con arena durante 30 minutos (Figura 8A)
para reducir la turbidez y los sólidos en suspensión que pudieran interferir en el
funcionamiento de la lámpara de luz ultravioleta. Una vez filtrada la muestra se
suplemento con 0.1g/L de dióxido de Titanio TiO2 y se recirculo por la lámpara
ultravioleta para favorecer las condiciones de la fotocatálisis heterogénea durante
60 minutos como se observa en la Figura 8B. Se realizó la caracterización de la
muestra en el tiempo cero (0) y se tomaron muestras durante una hora con
intervalos de 15 minutos para Carbono Orgánico Total y análisis de Coliformes
totales. Adicionalmente se monitorearon pH, turbidez y conductividad eléctrica.
Finalmente, en el ensayo del Día 5, únicamente se redujo la concentración de TiO2
a 0.05mg/L y se monitoreo 30 minutos más de tratamiento.
43
Figura 8: Ensayo Día 3-5 Filtración – Fotocatalisis UV/TiO2
Para facilitar el análisis e interpretación de los resultados de los tratamientos
aplicados a las muestras, estas fueron denominadas con la siguiente nomenclatura:
𝐸𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 − 𝑇𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 − 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
Por ejemplo:
𝑀3 − F𝑇𝑖𝑂2 − 180
Que significa: Muestra número 3, Filtración, Fotocatálisis UV/TiO2, durante 180
minutos.
44
5.4 Análisis de Costos y Viabilidad
Para hacer el análisis de costos y viabilidad del dispositivo Auto-Sostenible frente a
otras alternativas, se tuvo en cuenta la metodología establecida en la resolución 330
del 2017 “Por la cual se adopta el Reglamento Técnico para el Sector de Agua
Potable y Saneamiento Básico – RAS”124 en sus artículos 13 y 14 que establecen
se debe considerar los criterios de sostenibilidad, a partir de la evaluación de los
componentes económicos, técnicos, ambientales y sociales.
5.4.1 Variables por componente
Los criterios de evaluación que permitieron definir la viabilidad del dispositivo con
base en los objetivos de sostenibilidad, calidad y eficiencia en el tratamiento, se
muestran en la Tabla 2.
Tabla 2: Peso relativo para cada uno de los criterios analizados
Componente
(Ci)
Peso
relativo
(Pi)
Selección de la variable
Sostenibilidad
Económica 25%
El sistema debe dar solución a los requerimientos de
abastecimiento, las condiciones de operatividad y
mantenimiento, las características de la zona y la
eficiencia de tratamiento (Disponibilidad de recursos,
Costos ambientales y Costos de manejo de sub-
productos).
Sostenibilidad
Técnica 25%
En este ítem se tendrá en cuenta la facilidad de
operación del sistema (funcionalidad), la disponibilidad
de recursos para adquisición, el área requerida para la
instalación.
124 MINISTERIO DE VIVIENDA, CIUDAD Y TERRITORIO. Resolución 330. 08 de Junio de 2017. “Por la cual se adopta el Reglamento Técnico para el Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS) y se derogan las resoluciones 1096 de 2000, 0424 de 2001, 0668 de 2003, 1459 de 2005, 1447 de 2005 y 2320 de 2009”. Bogotá, 08 de Junio de 2017. p 182.
45
Componente
(Ci)
Peso
relativo
(Pi)
Selección de la variable
Sostenibilidad
Ambiental 25%
En este ítem se tendrá en cuenta cada uno de los
impactos ambientales generados por el sistema y su
efecto sobre las medidas mínimas de sostenibilidad
ambiental como la protección de fuentes hídricas,
optimización de recursos, reducción de contaminantes
aprovechamiento y manejo de subproductos
Sostenibilidad
Social 25%
En este ítem se tendrá en cuenta la aceptabilidad del
proyecto y el impacto sobre la población.
Total 100%
Fuente: Adaptado de la resolución 330 del 2017 “Por la cual se adopta el
Reglamento Técnico para el Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico –
RAS”
Con el fin de establecer una relación cuanti-cualitativa se presentan los siguientes
rangos de ponderación para cada una de las variables de cada componente (Tabla
3).
Tabla 3: Rango de ponderación y calificación de cada componente
Componente Variable Calificación Componente Variable Calificación
Sostenibilidad Económica
(25%)
Disponibilidad de recursos
Alto 0,33
Sostenibilidad Social (25%)
Aceptabilidad del proyecto
Alto 0,33
Medio 0,66 Medio 0,66
Bajo 1 Bajo 1
Costos ambientales
Alto 0,33 Generación de
empleo
Alto 0,33
Medio 0,66 Medio 0,66
Bajo 1 Bajo 1
Costos de manejo de
subproductos
Alto 0,33
Calidad de vida
Alto 0,33
Medio 0,66 Medio 0,66
Bajo 1 Bajo 1
Sostenibilidad Técnica (25%)
Operación
Alto 0,33
Sostenibilidad Ambiental
(25%)
Protección de las fuentes hídricas
Alto 0,33
Medio 0,66 Medio 0,66
Bajo 1 Bajo 1
Mantenimiento
Alto 0,33 Generación de
ruido
Alto 0,33
Medio 0,66 Medio 0,66
Bajo 1 Bajo 1
Alto 0,33 Alto 0,33
46
Recursos y materiales
Medio 0,66 Afectación al suelo
Medio 0,66
Bajo 1 Bajo 1
Repuestos
Alto 0,33 Afectación Flora y
Fauna
Alto 0,33
Medio 0,66 Medio 0,66
Bajo 1 Bajo 1
Funcionabilidad
Alto 0,33 Requerimiento
Energético
Alto 0,33
Medio 0,66 Medio 0,66
Bajo 1 Bajo 1
Requerimientos de Área
Alto 0,33 Aprovechamiento
y manejo de subproductos
Alto 0,33
Medio 0,66 Medio 0,66
Bajo 1 Bajo 1
Fuente: Elaboración Propia
6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO AUTO-SOSTENIBLE
El diseño y construcción del sistema portátil para tratamiento de aguas superficiales
contaminadas se realizó proyectado para el uso en áreas de difícil acceso y que no
cuentan con los servicios básicos de energía y agua potable. Si bien es cierto el
proyecto de investigación contempla el uso de aguas superficiales que arrojan un
índice de calidad del agua (ICA) en categoría muy malo en sistemas de riego; no se
descarta la posibilidad de su uso como equipo para potabilización a partir de aguas
superficiales con un índice de calidad en categoría buena o regular. De esta manera
el equipo se proyecta en primera instancia para dar cumplimiento a lo establecido
en la resolución 1207 de 2014125 “Por la cual se adoptan disposiciones relacionadas
con el uso de aguas residuales tratadas” y el acuerdo 043 del 2006126 “Por el cual
se establecen los objetivos de calidad del agua para la cuenca del río Bogotá a
lograr en el año 2020” y a futuro a la resolución 2115 de 2007127 “Por medio de la
cual se señalan características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de
control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano”
125 MINISTERIO DE AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE. Resolución número 1207 de 2014. Op. Cit. 126 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE CUNDINAMARCA – CAR. Acuerdo número 43. Op. Cit. 127 MINISTERIO DE LA PROTECCIÓN SOCIAL MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Resolución número 2115. 22 de Junio de 2007. “Por medio de la cual se señalan características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano”. Bogotá, 22 de Junio de 2007. p 23.
47
El diseño de la estructura y el ensamble de los equipos, consideran la facilidad de
mantenimiento, así como la posibilidad de combinación de los equipos de filtrado y
desinfección, de modo que se facilita su retiro para mantenimiento o reemplazo. El
equipo deberá tener un menor costo de mantenimiento y operación en comparación
con los procesos convencionales.
6.1.1 Estructura Física
El dispositivo esta soportado sobre una estructura metálica con malla galvanizada
ondulada C10.5 de 3/4 de 1m de largo por 0.64m de ancho que actúa como soporte
para los sistemas de tratamiento y comprende un área de 0.64m2, diseñada para
soportar aproximadamente 150kg de peso. El dispositivo tiene dos tapas laterales,
el panel lateral derecho este fijo a la estructura metálica (a), mientras que el lateral
izquierdo es desplegable para facilitar la acomodación de los equipos (b). La
estructura lateral fija y las platinas ubicadas en los soportes de acero anterior y
posterior sirven para el anclaje de los reguladores e inversores de energía tanto de
los paneles solares como de la lámpara de desinfección (c). El equipo tiene una
manija en acero en la parte posterior que facilita su desplazamiento sobre dos
rodamientos de cuatro llantas de goma de 13"(d)(Figura 9).
Figura 9: Estructura Física Dispositivo Auto-Sostenible
Fuente: Elaboración Propia
48
6.1.2 Sistema Eléctrico
El sistema de alimentación energético se diseñó para hacer que el dispositivo fuera
portátil y que las piezas intercambiables fuesen de fácil acceso en caso de
requerirse un remplazo. Se planteó como alternativa el uso de energía renovable
fotovoltaica, teniendo en cuenta la radiación solar en la región del alto Magdalena y
específicamente del municipio de Girardot, que según las estaciones del IDEAM y
el Atlas de Radiación Solar, Ultravioleta y Ozono de Colombia128 oscila entre 4.5 y
5.0Kwh/m2. En la Figura 10 se observa el comportamiento anual de la radiación para
el municipio de Girardot. Teniendo en cuenta dicho promedio anual, se garantiza la
independencia energética en la operación del dispositivo gracias al uso de los
paneles solares.
Figura 10: Análisis anual de la estación meteorología de la universidad de
Cundinamarca Girardot.
Fuente: IDEAM, Atlas de Radiación Solar en Colombia
El sistema de suministro eléctrico como se observa en la Figura 11 cuenta con un
sistema de cuatro paneles solares semiflexibles de 100w/12v conectados en un
arreglo de 2 paneles en serie y 2 líneas en paralelo, los cuales transfieren la energía
a un controlador de 12-24V (de la Bomba Solar) que posteriormente conducen la
128 IDEAM, Atlas de radiación solar, ultravioleta y ozono en Colombia. 2019. http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html
49
energía a un banco de 2 baterías de 75AMP/AGM conectadas en paralelo y
finalmente a un Inversor de onda pura de 400W/24V
Figura 11: Sistema eléctrico dispositivo Auto-Sostenible
Fuente: Elaboración Propia
Cada panel solar tiene un potencial máximo (Pmax) de 100W, un voltaje (V) de
17.8V, Corriente de 5.62A, Voltaje de circuito abierto de 21.6V, Corriente de Corto-
circuito de 5.97A, Temperatura de operación normal de las celdas de 44+/-2°C, y
temperatura de operación de 40-85°C. Las unidades solares tienen un tamaño de
1100 x 570 x 2.5 mm, una eficiencia del 24% y pesan 1.5 Kg cada uno (Figura 12).
Figura 12: Unidades de Paneles Solares e inversor de energía solar de onda pura
Fuente: Elaboración Propia
50
El Inversor de energía de onda pura de 400W/24V tiene un Voltaje de entrada de
21V a 30V, Voltaje de salida de 110 V, potencia de salida de 400W, exactitud de
regulación de voltaje de 3%, 2 salidas y peso aproximado de 1.73 kg. Al inversor de
energía se conecta el controlador de 100/120V que maneja una tensión de 100-
240V/50/60Hz, una corriente máxima de 0.6A, un consumo de energía de 30W y
entre y 25W de la lámpara UV que suministra la energía para la lámpara ultravioleta
S5Q-PA Viqua.
La carga de las baterías está condicionada a la exposición a radiación de los
paneles solares. El equipo debe funcionar en modo Batería de tal manera que el
sistema se cargue con los excedentes de energía durante la operación del
dispositivo. El equipo está diseñado para un tiempo de operación constante con
energía solar y sin radiación, las baterías podrán mantener en funcionamiento por
un tiempo aproximado de 6 a 8 horas.
6.1.3 Bomba Solar de Corriente Continua
El ingreso de agua al equipo de tratamiento inicia con la captación, realizada por
una bomba solar de corriente continua sumergible que permite el acceso a cuerpos
de agua como ríos, lagos lagunas o tanques de almacenamiento. La Bomba solar
de corriente continua sumergible Marca Taifu, tiene una potencia de energía solar
de 120W con diámetro de 3 pulgadas y salida de bomba de ¾, sensor de nivel y
controlador de cable de 1,5m con MC4, tensión de 24V y un caudal de 0.5 m3/h
(Figura 13).
Figura 13: Bomba Solar de Corriente Continua Sumergible
Fuente: http://www.chinataifu.com/en/index.asp
51
6.1.4 Operaciones Unitarias
Se construyó un dispositivo a pequeña escala que pretende simular los tratamientos
y procesos unitarios convencionales usados en una planta de tratamiento. Las
operaciones unitarias son procesos físicos, químicos y biológicos mediante los
cuales las sustancias contaminantes del agua son removidas o transformadas en
sustancias inocuas129. El dispositivo se construye tenido en cuenta que si se arrojan
aguas residuales crudas a un rio o cuerpo de agua, en exceso de la capacidad de
asimilación de contaminantes de la fuente receptora, este se verá disminuido en su
calidad para usos benéficos por parte del hombre130 como es el caso del afluente
de estudio, el Río Bogotá. Es por ello que el objetivo básico del tratamiento de aguas
es eliminar los riesgos para la salud humana y minimizar los daños al ambiente.
De esta manera se definieron las operaciones unitarias necesarias para obtener
agua con un índice de calidad bueno con fines de uso en sistemas de riego. Por lo
tanto, se estructuró un tratamiento preliminar como la Filtración, un tanque de
almacenamiento para un tratamiento secundario y un sistema de desinfección. Los
sistemas están anclados por redes de manguera intercambiables y llaves de paso
que permiten la reorganización de los procesos de acuerdo a las necesidades del
agua a tratar y a los tratamientos usados.
6.1.4.1 Sistema de Filtración
Una vez el agua es captada por la bomba sumergible, ingresa a un tratamiento
primario en un sistema de filtración. En este dispositivo el objetivo del filtro es la
remoción del material suspendido, compuestos de floc, suelo, metales oxidados y
algunos microrganismos. En otras palabras, impedir la interferencia de la turbiedad
con el proceso de desinfección.
Aunque son muchos los sistemas de filtración existentes, se puede hacer una
clasificación de acuerdo con la dirección de flujo, el tipo de lecho filtrante, la fuerza
impulsora, la tasa de filtración y el método de control de la tasa de filtración. En este
sentido, el filtro usado en este dispositivo, tiene como lecho filtrante un solo medio
de arena; de acuerdo a la fuerza impulsora, se considera un filtro de presión rápido
129 BENITES, Yrinna. Diseño de un prototipo compacto potabilizador de agua superficial con independencia energética. Trabajo de grado en Ingeniería Industrial y de Sistemas. Piura: Universidad de Piura, Facultad de Ingeniería, 2019. 46 p. 130 ROMERO, Jairo. Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y principios de Diseño. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Tercera Edición. 2004.129p.
52
de lavado ascensional y con tasa de filtración mayor y requerimiento de área menor
frente a un filtro lento131.
Figura 14: Flujo de Filtración y Lavado
Fuente: Elaboración propia
El filtro de arena compacto de filtración rápida tiene válvula superior de 6 vías
fabricada en polietileno de alta densidad (HDPE) resistente a agentes químicos,
atmosféricos y rayos UV. Es de cuerpo inyectado en plástico y drenaje en parte
inferior del filtro (de 7/8”) para poder extraer el agua del interior del mismo sin
pérdida de arena. Presión de servicio de 36psi (2.5 bar), presión máxima de 50 psi
(3.4 bar). Maneja un flujo máximo de 4.5m3/h y trata un volumen aproximado de
27000L en 6 horas de filtración y requiere una carga de arena de 25Kg con un área
de filtrado de 0.10m2. A continuación se presentan las dimensiones del filtro usado
en la construcción del dispositivo (
Figura 15).
131 ROMERO, Jairo. Purificación del Agua. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Segunda Edición. 2006.218p.
53
Figura 15: Dimensiones Filtro
Fuente: Manual Filtros Panda
Tabla 4: Dimensiones Filtro de seis válvulas
Filtro FPP14T DIMENSIONES
Denominación Øa øB C D E F G H
Medida(mm) 355 319 750 490 545 600 75 80
Para la facilidad en los procesos de lavado, el filtro del dispositivo cuenta con un
nanómetro de presión que indica cuando el medio filtrante se encuentra colmatado
por exceso de sólidos y requiere de un lavado para recuperar la capacidad de
filtración. Para el lavado se invierte el flujo del agua como se observa en la Figura
14, se aplica el flujo suficiente para fluidizar el medio filtrante y producir el frote entre
los granos del mismo, y se desecha el material removido a través del desagüe.
54
El medio ideal debe poseer un tamaño tal que permita obtener un efluente
satisfactorio, ser un material durable, capaz de retener la máxima cantidad de
sólidos y ofrecer facilidad para limpiarlo con una mínima cantidad de agua de
lavado. Se seleccionó como medio filtrante arena de sílice N°55 que para los filtros
rápidos tiene un tamaño efectivo (TE) entre 0.35-0.50mm y un Coeficiente de
uniformidad (CU) entre 1.3-1.7 con una profundidad de 60-75cm.132
El sistema de filtración admite el uso y combinación de materiales adsorbentes tales
como carbón activado, antracitas, zeolitas, entre otros, en capas perfectamente
separables.
6.1.4.2 Desinfección con Luz ultravioleta
En la búsqueda de la sostenibilidad del equipo para el tratamiento de los
contaminantes biológicos, se buscó un sistema de desinfección eficiente y que no
generara ningún tipo de subproducto contaminante. La desinfección es el último
proceso unitario de tratamiento del agua en el dispositivo y tiene como objetivo
garantizar la calidad de la misma desde el punto de vista microbiológico y asegurar
que sea inocua para su uso. Para ello, se instaló una lámpara UV S5Q-PA Viqua
Estándar de 6GPM y corriente constante, que garantiza un rendimiento estable de
la lámpara UV- C (Longitud de onda de 245nm), independientemente de las
fluctuaciones de energía. Es un sistema de 110V y un consumo de 30W (Figura 16).
El sistema maneja una radiación de 30mj/cm2, suficiente para la eliminación de E.
Coli y demás Coliformes totales, y otros grupos de microrganismos resistentes como
Giardia y Cryptosporidium.
Figura 16: Lampara Viqua
132 ROMERO, Jairo. Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y principios de Diseño. Op. Cit.
55
Fuente: Manual de operación Viquia
Tiene una presión de funcionamiento mínima y máxima de 15psi y 125psi
respectivamente y funciona a temperaturas entre 2 y 40°C. Se seleccionó este
sistema por el bajo costo de inversión y operación, no genera reacciones con los
constituyentes del agua y por tanto no genera subproductos, olor ni sabor.
Una vez anclada la lámpara de forma horizontal sobre la platina en la parte posterior
del dispositivo, y puesto el cuarzo de protección, se colocó la lámpara UV y se
conectó el controlador de energía al inversor de onda pura de 400W/24V. El
controlador indica la vida útil de la lámpara iniciado el conteo en 365 días y permite
identificar el momento de remplazo.
Una vez ensamblados todos los sistemas unitarios, se obtiene el dispositivo como
se observa en la
Figura 17.
Figura 17: Dispositivo Final
56
Fuente: Elaboración Propia
a. Sistema de paneles Solares, b. Unidad de Filtración rápida con Arena, c.
Lampara de desinfección Viqua, d. Tanque de homogenización
6.2 EFICIENCIA DEL DISPOSITIVO
6.2.1 Caracterización de las muestras
En la Tabla 5 se presenta la caracterización inicial de las cinco muestras del Río
Bogotá usadas para cada uno de los ensayos. La variación en la concentración de
los compuestos orgánicos y Coliformes fecales, se atribuye principalmente a las
descargas (directas o indirectas) de los municipios de El Colegio, La Mesa,
Cachipay, Anolaima, Quipile, Anapoima, Apulo, Viota, Agua de Dios, Tocaima,
Ricaurte y Girardot 133. Así como al transporte de compuestos persistentes vertidos
en la cuenca alta y media del río.
Tabla 5: Caracterización muestra inicial
133 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE CUNDINAMARCA – CAR. Boletín del índice de calidad del agua en corrientes superficiales “ICA” 2017 - II informe del seguimiento a la calidad del agua de las ocho (8) subzonas hidrográficas y los dos (2) niveles subsiguientes de la jurisdicción CAR, a partir del ICA de 7 variables. Bogotá, 2018.78 p.
57
Muestra
Inicial COT UFC/100ml
Turbidez
(NTU)
Conductividad
(µS/cm) pH
Muestra 1 7,5 157000 67 415,7 7,8
Muestra 2 11,4 310000 166 288,2 7,7
Muestro 3 25,3 390000 149 133,1 7,9
Muestra 4 35,8 350000 177 296,5 7,9
Muestra 5 47,0 440000 197 447,5 8,0
Fuente: Elaboración Propia
Los datos obtenidos en la caracterización inicial de las muestras del Río Bogotá en
la vereda Portachuelo, se asocian directamente con los análisis de calidad hídrica
realizados por la CAR para el segundo periodo del 2018. Según este monitoreo, las
estaciones “Finca el Silencio” y “Desembocadura Río Bogotá”, que se ubican aguas
arriba y aguas abajo del punto de muestreo del proyecto (Portachuelo), tiene un
índice de calidad (ICA) en categoría malo.
Figura 18: Comportamiento del ICA en el Río Bogotá
Fuente: Boletín del índice de calidad del agua en corrientes Superficiales “ICA”
2018 – II
En la Figura 18, se observan cambios en las dinámicas de calidad del agua de la
cuenca baja del Río Bogotá. Se evidencia un descenso del ICA en el punto (83)
aguas abajo del rio Calandaima manteniendo la categoría Mala hasta el final del
58
tramo en el punto de monitoreo (90) antes de la desembocadura Río Bogotá sobre
el Magdalena. El deterioro en la calidad del recurso en este último punto está
posiblemente relacionado a la entrada del afluente Río Calandaima con menor
calidad y las descargas directas de municipios de Tocaima y Girardot.
Con los datos obtenidos en la caracterización inicial de los cinco días de muestreo,
se analiza la relación Demanda Biológica de Oxigeno (DBO5) y Carbono orgánico
total (COT) en las muestras iniciales, a través de la expresión:
𝐷𝐵𝑂5 = 1,87 ∗ (𝐶𝑂𝑇) − 17134
* Valores de COT inferiores a 9,1mg/L no permiten establecer la correlación.
Se observa que los datos obtenidos para las 5 muestras iniciales en promedio
durante los cinco días de muestreo (30,47 mg O2/L) son cercanos a los valores
reportados en la estación la campiña del municipio de Girardot según el IDEAM
reportado en el Estudio Nacional del Agua (ENA), 2018 donde se establece un DBO5
de 44,3 mg O2/L135 y similares a los reportados por la CAR en los monitoreos del
2018 y 2019 I como se observa en la Figura 19.
Figura 19: Variación de la Demanda Biológica de Oxigeno durante las tres
estaciones de monitoreo finales del Río Bogotá y el punto de muestreo del proyecto.
134 RAMALHO R.S. Tratamiento de aguas residuales. Editorial Reverté. Facultas de Ciencia e Ingeniería. Universidad Laval. Quebec. Canadá. p.250. 135 IDEAM. Estudio Nacional del Agua. 2018. Op. Cit.
59
Fuente: Elaboración propia
Los datos obtenidos de Carbono Orgánico Total y la estimación del DBO, permiten
evidenciar que el Río Bogotá a la altura de la vereda Portachuelo no cumple con los
límites mínimos establecidos para los objetivos de calidad según el Acuerdo 043 del
2006 generado por la Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca donde la
concentración máxima para el uso del agua en las Clase I, II y IV debe estar por
debajo de 7mg/L de DBO.
Para el caso de los Coliformes Totales los resultados obtenidos en la caracterización
inicial se comparan con los datos más recientes encontrados en el boletín del índice
de calidad del agua en corrientes superficiales de 2017, 2018 y 2019 de la
Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca (CAR), que denotan
incumplimiento en la Estación Puente Portillo, Finca El Silencio y desembocadura
Río Bogotá (Figura 20).
7mg O2/L
0
10
20
30
40
50
60
Puente Portillo Finca el Silencio Portachuelo Desembocadura RíoBogota
mg
O2/L
Demanda Biologica de Oxigeno (DBO)
2018 (I) 2018 (II) 2019 (I) Portachuelo Acuerdo 043 del 2006
60
Figura 20: Coliformes Totales (CT) Río Bogotá Cuenca Baja
Fuente: Dirección de Recursos Naturales CAR-2017 - Corporación Autónoma
Regional De Cundinamarca – CAR. Dirección de Laboratorio e Innovación
Ambiental
La caracterización de la investigación arroja un promedio de Coliformes totales de
3.29E+05 en 100mL, por debajo de los valores obtenidos en las estaciones aguas
arriba y abajo del punto de muestreo en el año 2017 I y II y 2018 I y 2018 II (Figura
20). Sin embargo, el agua muestreada en el Río Bogotá no cumple con los objetivos
de calidad del agua establecidos en el Acuerdo 043 del 2006136 para la Clase I: que
“Corresponde a los valores de los usos del agua para consumo humano y doméstico
con tratamiento convencional, preservación de flora y fauna, uso agrícola y uso
pecuario” ni la Clase II que “Corresponde a los valores de los usos del agua para
consumo humano y doméstico con tratamiento convencional, preservación de flora
y fauna, uso agrícola con restricción y uso pecuario” y clase IV que “Corresponde a
valores de los usos agrícola con restricciones y pecuario” como se observa en la
Figura 21.
136 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE CUNDINAMARCA – CAR. Acuerdo número 43. Op. Cit.
0,00E+00
1,00E+06
2,00E+06
3,00E+06
4,00E+06
5,00E+06
6,00E+06
7,00E+06
8,00E+06
9,00E+06
1,00E+07
Estación Puente Portillo Finca El Silencio Desembocadura Río Bogotá
Co
nce
ntr
ació
n U
FC -
CA
R
Monitoreo Calidad de Agua 2017-2019 (CAR)
2017 (I) 2017 (II) 2018 (I) 2018 (II) 2019 (I) Portachuelo
61
Figura 21: Objetivos de calidad del recurso hídrico referente a Coliformes totales
Fuente: Elaboración Propia
De la misma manera, no se cumple con los valores mínimos establecidos para el
uso de estas aguas en sistemas de riego que según la Resolución 1207 de 2014137
establece 1,0E+05/100ml de CT para uso agrícola.
Según la EPA, se define el reúso indirecto no planeado como aquel que ocurre
cuando el agua es utilizada y descargada en forma diluida en el cuerpo de agua
receptor (Río Bogotá) y posteriormente es utilizada sin cumplimiento de criterios de
calidad (Figura 19: Variación de la Demanda Biológica de Oxigeno durante las tres
estaciones de monitoreo finales del Río Bogotá y el punto de muestreo del
proyecto.) para diferentes usos. Esto ocurre a lo largo de la cuenca alta, media y
baja del río Bogotá donde se realiza la captación del recurso para riego de cultivos
hortícolas, de plátano y arroz, así como para uso pecuario y piscícola138.
Este reúso indirecto no planeado, representa algunos riesgos ambientales que
incluyen la contaminación del agua subterránea y el suelo por la percolación del
exceso de nutrientes, sales y patógenos. La movilidad de los contaminantes y su
137 MINISTERIO DE AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE. Resolución número 1207 de 2014. Op. Cit. 138 Ibid.
1,0E+05
2,0E+04
5,0E+03
0,0E+00 5,0E+04 1,0E+05 1,5E+05 2,0E+05 2,5E+05 3,0E+05
Caracterización Inicial
Resolución 1207 del 2014
Acuerdo 043 del 2006 (Clase II y IV)
Acuerdo 043 del 2006 (Clase I)
Coliformes Totales
62
capacidad de acumularse, agravan la amenaza que generan al medioambiente y a
la sociedad139. La pérdida de calidad del recurso es un factor determinante, que
afecta de forma directa el sector agroalimentario. Aguas con altos contenidos de
microorganismos, en algunos casos patógenos y de compuestos tóxicos, ponen en
riesgo la inocuidad del producto, la salud de la población, los animales y el normal
desarrollo de los cultivos140.
El evidente deterioro de la calidad del recurso hídrico en el Río Bogotá no solo afecta
su área de influencia, sino que una vez desemboca sobre el Río Magdalena,
impacta la mayor arteria fluvial a nivel Nacional como se observa en la Figura 22.
Donde, el índice de calidad de agua pasa de categoría “Aceptable” en la estación
de purificación antes de la desembocadura del Rio Bogotá a categoría “Muy malo”
en la estación ubicada después del Municipio de Girardot, con las consecuentes
presiones sobre el componente biótico y social.
Figura 22:Comportamiento del ICA en el Río Magdalena
Fuente: IDEAM - Estudio Nacional del Agua 2018
Teniendo en cuenta las características de calidad de las muestras en el tiempo cero
y los impactos ambientales ocasionados, se realizaron diferentes ensayos utilizando
139 MATEO-SAGASTA, Javier. Reutilización de aguas para agricultura en América Latina y el Caribe: estado, principios y necesidades. FAO: Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), In Spanish. Santiago de Chile: 2017. 133 p. 140 CUBIDES GUERRERO, Pablo Andrés, et al. Evaluación de un tratamiento para mejorar la calidad del agua utilizada para riego en la Sabana occidental de Cundinamarca. Tesis de maestría en ingeniería. Bogotá:Universidad Nacional de Colombia, 2018. 123 p.
63
el dispositivo Auto-Sostenible, para evaluar la eficiencia en la reducción de las
diferentes variables fisicoquímicas y microbiológicas.
6.2.2 Ensayo N°1 Filtración – Desinfección (E1-FD-180)
En la Tabla 6, se presenta los resultados obtenidos para el ensayo de la muestra N°
1. En este ensayo el agua se recirculó por el sistema de filtración rápida con arena
y de desinfección con UV durante 180 minutos.
Tabla 6: Ensayo N° 1 Filtración y Desinfección (E1-FD-180)
Técnica Tiempo (Min) Ensayo Muestra N° 1
UFC/100ml Turbidez
Filtración/Desinfección
0 157.000 67
30 27
60 700 20
90 20
120 35 22
150 21
180 95 21 a: La conductividad tuvo un valor inicial de 415,7 y final de 242,9 µS/cm b: El pH inicial de 7,8 y final de 7,7
El comportamiento del Carbono Orgánico Total varió de 9,07mg/L en tiempo 0 a
7,49mg/L después de tres horas de tratamiento. Se pretendía evaluar el
comportamiento de la mezcla a la longitud de onda de 254nm que tiene la lámpara
utilizada y se comprobó que fue mínimo el efecto de esta sobre el contenido
orgánico de la solución; lo que permitiría inferir que no se producen efectos de
fotólisis en compuestos recalcitrantes de elevada estabilidad fisicoquímica, es decir,
no sufren con facilidad reacciones de oxidación.
Al observar el potencial de desinfección del sistema en el ensayo N° 1, se observa
una reducción del 99,5% a los 60 minutos de tratamiento, tendencia que se mantuvo
hasta los 120 minutos de recirculación del agua en el equipo. En primera instancia
el sistema de filtración a través de mecanismos como el cribado, interceptación,
absorción y adsorción reducen los sólidos en suspensión y por lo tanto los
microrganismos asociados a estas partículas141. En este ensayo, la inactivación de
141 ROMERO, Jairo. Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y principios de Diseño. Op. Cit.
64
los microorganismos fue complementada por irradiación y la absorción de radiación
ultravioleta (UV) de alta energía proporcionada por la lámpara Viquia, que causa
reacciones fotoquímicas de los componentes fundamentales de las células
perturbando su normal funcionamiento por el daño a la membrana celular y la
afectación directa sobre el material genético142.
En los 210 minutos de tratamiento, se observa un incremento en la concentración
de Coliformes totales a 95UFC. Paralelo al conteo de Coliformes Totales se realizó
el monitoreo de Pseudomonas sp, un género común en el medio ambientes con
capacidad de formar biofilm y considerada una de las principales bacterias
oportunistas. Se observó presencia del microrganismo en el tiempo 0 y un
incremento de 41000UFC en el Tiempo 60 hasta incontables al minuto 210. Este
comportamiento tanto de los CT como de las Pseudomonas sp., se puede atribuir
en primera instancia a la acumulación de biofilm en el sistema de filtración; sumado
a un aumento en la temperatura del agua por el uso de la lámpara UV que potenció
el crecimiento microbiano y por el tanto la concentración de bacterias, lo que a su
vez redujo la eficiencia del proceso de desinfección. Las bacterias crecen mediante
fisión binaria y este proceso de subdivisión se puede completar en periodos cortos.
En el medio natural generalmente se citan periodos de 10 a 120 minutos, que, junto
con la disponibilidad de nutrientes, podría explicar el incremento en la población a
los 210 minutos del agua en el sistema143.
La presencia de Pseudomonas sp. en el sistema, puede también atribuirse a la
capacidad de estos microrganismos para adaptarse a diferentes ambientes y de
utilizar diversos compuestos orgánicos para su desarrollo. Por las características de
su genoma, Pseudomona ha demostrado una adaptación evolutiva que le permite
sobrevivir en diversas condiciones ambientales y resistir los efectos de una gran
variedad de sustancias antimicrobianas144. Estos microrganismos, forman densas
comunidades bacterianas o biopelículas adheridas a las superficies por medio de
polisacáridos secretados por las propias células. Las capas de polisacáridos actúan
como barrera fisicoquímica capaz de protegerlas del efecto de antibióticos y
desinfectantes145. Para el caso de esta investigación, donde el método de
142 GUIMARÃES, José Roberto, et al. Desinfección de agua. En: Eliminación de Contaminantes por Fotocatálisis Heterogénea. Red Cydted VIII, Buenos Aires, 2001. p388. 143 ROMERO, Jairo. Tratamiento de Aguas Residuales Teoría y principios de Diseño. Op. Cit. 144 RIOS-TOBÓN, Sandra, et al. Patógenos e indicadores microbiológicos de calidad del agua para consumo humano. Rev. Fac. Nac. Salud Pública, 2017; 35(2): 236-247. DOI:10.17533/udea.rfnsp.v35n2a08 145 DRENKARD, E. 2003. Antimicrobial resistance of Pseudomonas aeruginosa biofilms. Microbes and Infection. 5: 1213-1219.
65
desinfección fue la radiación UV, se puede inferir que los polisacáridos, distorsionan
el efecto de la radiación sobre la membrana celular y el material genético de las
bacterias, sin afectar sus funciones fisiológicas y reproductivas.
Así mismo, se ha demostrado que estas bacterias, colonizan superficies interiores
de las tuberías de agua y tanques de almacenamiento, en presencia de nutrientes,
temperaturas cálidas, bajas concentraciones de desinfectantes y tiempos largos de
almacenamiento 146 147. Para el caso de este trabajo, la concentración de carbono
orgánico total, el nitrógeno y el fosforo presentes en el agua del Río Bogotá,
pudieron favorecer el desarrollo de estas células en las mangueras de conexión
entre cada una de las unidades operativas. De igual forma, la temperatura ambiente
en la cual se desarrollaron los ensayos (28 a 32°C) y los largos periodo de retención
(210 minutos) en el sistema, consiguieron beneficiar la proliferación de los
microrganismos.
Es importante resaltar que las especies perteneciente al género Pseudomonas, son
organismos ubicuos, ya que la mayoría de las personas están en contacto
diariamente con esta bacteria, que sólo representa un riesgo sanitario para las
personas cuyo Sistema inmunológico es deficiente. A este tipo de bacterias se las
denomina patógenos oportunistas ya que inusualmente originan enfermedades en
individuos sanos148, razón por la cual no se encuentran establecidas como
parámetro de calidad dentro de la normatividad nacional.
Durante las tres horas de tratamiento se logró una reducción de 68,5% de turbidez
en el agua debido a mecanismos físicos y químicos que permiten que las partículas
más grandes que los poros del medio filtrante (arena) sean retenidas
mecánicamente y las más pequeñas retenidas por oportunidad de contacto. La
recirculación del agua en el equipo, permitió además la interceptación de muchas
partículas que se mueven a lo largo de la línea de corriente y que son removidas
cuando entran en contacto con la superficie del medio de filtración149.
146MARCHAND EO. Microorganismos indicadores de la calidad de agua de consumo humano en Lima Metropolitana [Tesis en Internet]. Universidad Nacional Mayor de San Marcos; 2002. [Acceso 9 de octubre de 2015]. 147 VÁSQUEZ G, Castro G, González I, Pérez R, Castro T. Bioindicadores como herramientas para determinar la calidad del agua. ContactoS [Revista en Internet] 2006 [Acceso 27 de agosto de 2015]; (60): 41–8 148 MATÍN, Irene, Riesgo sanitario por la presencia de pseudomonas en el agua para consumo humano 149 BARBARAN VERA, Luigi Sly; MENDOZA RUIZ, Sandro Humberto; SAENZ GUILLEN. Christian Fernando. Diseño, construcción e instalación de un prototipo de equipo clarificador horizontal para
66
6.2.3 Ensayo N°2: Fotocatálisis TiO2/UV - Filtración
En la Tabla 7, se presenta los resultados obtenidos para el ensayo realizado con la
muestra N° 2. En este ensayo, a la muestra de agua tomada en el día 2 se agregaron
0,25g/L de TiO2 y se recirculó durante 180 minutos a través de la lámpara UV-Cy el
tanque de mezcla. Posteriormente el agua fue transferida al filtro de arena durante
30 minutos para retirar el dióxido de Titanio. En este ensayo no se usó el sistema
de filtración como tratamiento primario, sino como tratamiento complementario al
proceso de oxidación por fotocatálisis heterogénea.
Tabla 7: Ensayo N° 2 Filtración, Fotocatálisis TiO2/UV
Técnica Tiempo
(Min)
Ensayo Muestra N° 2
UFC/100ml
0 310.000
Fotocatalisis TiO2/UV (0,25g/l)
30 0
60 4.200
90 0
120 1.200
150 0
180 130
Filtración 210 1.000 a: Este ensayo arrojo para la Turbidez una concentración inicial de 166 unidades sin
catalizador y una concentración final de 82 UNT una vez el catalizador fue eliminado. b: La conductividad varió de 208,8 microSiemens a 114,5 una vez finalizado el ensayo c: El pH inicial y final fue de 7,7
El ensayo numero dos se inicia el proceso de fotocatálisis heterogénea. Sin
embargo, no se evidencia una reducción significativa del Carbono orgánico total de
su concentración inicial de 13,18mg/L a 11,38mg/L después de 210 minutos de
tratamiento.
Al agregar los 20g de TiO2 en los 40 litros de agua a tratar, se dio un incremento de
turbidez a 792 UNT. Es decir, la cantidad de TiO2 aumento por encima de un nivel
de saturación, por lo tanto, el coeficiente de absorción de fotones de luz
generalmente disminuye radialmente. El exceso de partículas de TiO2 puede crear
Aguas superficiales en la Amazonia Peruana. Trabajo de grado en Ingeniería química. Iquitos: Universidad Nacional de la Amazonía Peruana, Facultad de Ingeniería Química. 2016. 134 p.
67
un efecto de detección de luz que reduce el área de superficie de TiO2 expuesta a
la iluminación de la luz y la eficiencia fotocatalítica. Así mismo, en el ensayo numero
dos no se realizó el proceso de filtración previo a la fotocatálisis. Por lo tanto, no
hubo una reducción de la turbidez de la muestra y esto incrementó el fenómeno de
apantallamiento, es decir se genera un impedimento al paso de los rayos UV y por
lo tanto hay un detrimento en la reacción fotocatalítica. También se puede
considerar la posible interferencia de iones inorgánicos como SO4, NO-3, que
pueden producir inactivación de la superficie del catalizador150.
El comportamiento en el tiempo del proceso de desinfección en el ensayo N° 2 (E2),
tuvo la misma tendencia del ensayo N°1 (E1). Durante la fotocatálisis heterogénea
se observó una reducción del 99,9% de unidades formadoras de colonia hasta el
minuto 180. Sin embargo, una vez el agua fue transferida a la unidad de filtración
después del tratamiento para la recuperación del catalizador, se evidencio un
incremento a 1000UFC de CT lo que corroboraría que la disrupción es generada
por procesos de desorción de la contaminación biológica atrapada en el filtro.
Por el contrario, el sistema de filtración es bastante eficiente en el tratamiento de la
turbidez, observándose una reducción del 82,2% a los primeros 30 minutos de
filtración y alcanzando una reducción del 98,6% con una hora adicional de proceso.
Las partículas se adhieren a la superficie del medio filtrante debido a la fuerza de
arrastre del agua o son arrastradas antes de adherirse fuertemente y empujadas
más profundamente dentro del filtro permitiendo la clarificación total del afluente y
eliminado las nanoparticulas del TiO2. El incremento de eficiencia del sistema de
filtración se puede también asociar a que el crecimiento biológico reduce el volumen
el poro y la fuerza cortante superficial aumenta promoviendo la remoción de
remoción de partículas. A pesar de la reducción en la turbidez del agua, no se aplicó
un método específico para determinar que no existiera residualidad de partículas de
TiO2 en el agua tratada.
En el E2, hubo un incremento en el potencial de desinfección durante el proceso de
fotocatálisis heterogénea con TiO2. La eficiencia en la desinfección por la
combinación de estos dos procesos TiO2/UV, depende en primer lugar de la
absorción de la radiación por las proteínas, y por los ácidos nucléicos (RNA y DNA)
del microorganismo. La absorción de dosis altas de UV por las proteínas presentes
en las membranas celulares lleva a la ruptura de esas membranas y,
150https://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/308120/NDLCG_TESIS.pdf?sequence=1&isAllowed=y
68
consecuentemente, a la muerte de la célula151. En segundo lugar, la fotocatálisis ha
sido investigada ya que los (OH°) son uno de los radicales libres más reactivos y
uno de los oxidantes más fuertes y generalmente funcionan destruyendo la
membrana celular, dañando el ADN y las proteínas, liberando iones peligrosos para
el mal funcionamiento celular, interrumpiendo la transferencia de electrones e
inhibiendo la respiración de las células por oxidación fotoelectroquímica de la
Coenzima A (CoA)152.
151 HOSSAIN, Fahim, et al. Op. Cit. 152 MALATO, Sixto, et al. Decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: recent overview and trends. En: Catalysis today. 2009. Vol. 147, no 1, p. 1-59.
Tabla 8: Revisión antecedentes procesos de desinfección con TIO2/UV
Año Autor UFC de
Coliformes Totales/100ml
UFC de E. Coli/100ml
Porcentaje de
Remoción TiO2
Tiempo (min)
Tipo de Agua
1993 Ireland &
Col. 170 N/A 100 - 18 Aguas Superficiales
1994 Wei et al. N/A 1.000.000.000 100 1,0g/L 30 Solución de E. Coli
1994 Wei et al. N/A 1.000.000.000 99,96 1,0g/L 60 Agua para consumo
1995 Watts et
al. 5.000.000.000 N/A 99 250 mg 1 - t. 150 Aguas residuales tratadas
2005 Cho et al. N/A 64.000.000 99,43 1,0g/L 120 Agua para consumo
2011 Liga et al. N/A 7.000.000.000 95 0.1 g/l 2 Agua
2011 Villanueva N/A 10.000.000 62 0,5 mg/ 25ml 360 Agua Residual Domestica
2014 Rizzo et
al. N/A 107 93,17 0,05g/l 10 Aguas Residuales Urbanas
2016 Ungria 100.000 10.000.000 100 1g 10
Agua de salida de una Estación Depuradora de Aguas Residuales
(EDAR) sintética y de agua de salida de una EDAR real
2017 Murcia et
al. 780.000 290.000 100 2 wt.% Pt-TiO2 180 Aguas Residuales Urbanas
2018 Murcia et
al.
520.000 120.000
100
TiO2 (ISO) 91 TiO2 (BUT) 96 TiO2(ISO)-Pt
(0.5%) 71 TiO2(BUT)-Pt
(0.5%) 74
300 Aguas Residuales del Río Jordán:
Efluentes domésticos e industriales
230.000 40.000
2019 Ripolles 1.000.000.000 N/A 2–3 log 100μg/mL 1440 Industria alimenticia, no especifica
agua
Fuente: Elaboración Propia
Otros autores como se observa en la Tabla 8, han evaluado la eficiencia de desinfección
de la fotocatálisis heterogénea sobre los Coliformes totales y E. Coli, demostrando
eficiencias que superan el 90% cuando se tratan aguas superficiales contaminadas
(Ireland & Col. 1993)153, residuales urbanas o afluentes de aguas residuales
tratadas (Rizzo et al., 2014)154. Estas eficiencias de remoción se obtuvieron en
periodos de tiempo que oscilan entre los 2 y 150 minutos de tratamiento y a
concentraciones que varían entes los 0.05g/L hasta los 2g/L de TiO2. Los datos
obtenidos en estas investigaciones se relacionan con los obtenidos en el ensayo N°
2 (E2-TiO2-60) donde los porcentajes más altos de eficiencia de remoción de
microrganismos se dieron durante la primera hora de tratamiento, razón por la cual
se reajustó el tiempo de tratamiento para los tres ensayos siguientes.
De la misma manera se realizó un análisis de la eficiencia del proceso en la
remoción de carbono orgánico total y los microrganismos contenidos en el agua
tratada y se correlacionaron con la concentración de catalizador usado en este
ensayo (0,25g/L). Sin embargo, al observar el diseño experimental planteado por
Rizzo y colaboradores en el 2014155 y Liga et al. en 2011156 (Tabla 8) quienes
obtuvieron eficiencias de desinfección superiores al 92% en 10 y 2 minutos
respectivamente, usando concentraciones inferiores de catalizador de 0.05g/L y
0.1g/L; Se consideró pertinente reducir la cantidad de TiO2 durante los siguientes
ensayos.
A los cuarenta litros de agua que ingresaron al sistema durante el ensayo N° 2, se
agregaron 10 gramos de catalizador lo que significó un incremento de 613 unidades
de turbidez respeto a la muestra en el tiempo cero (0). La presencia de partículas
de TiO2, puede afectar la transmitancia del sistema de rayos ultravioleta e interferir
en el proceso de desinfección limitando su eficiencia157. Por lo tanto, es
recomendable un alto grado de filtración y en algunos casos la coagulación de los
sólidos coloidales para lograr eficiencias altas de desinfección. Teniendo en cuenta
esta premisa, se determina realizar un proceso de filtración durante 30 minutos
previo a la fotocatálisis heterogénea.
153 IRELAND, John C., et al. Inactivation of Escherichia coli by titanium dioxide photocatalytic oxidation. En: Applied and Environmental Microbiology.1993. Vol. 59, no 5, p. 1668-1670. 154 RIZZO, Luigi, et al. Op. cit. 155 Ibid. 156 LIGA, Michael, et al. Virus inactivation by silver doped titanium dioxide nanoparticles for drinking water treatment. En: Water research. 2011. Vol. 45, no 2, p. 535-544. 157 MINISTERIO DE VIVIENDA, CIUDAD Y TERRITORIO. Resolución 330. 08 de Junio de 2017. Op. Cit.
102
Figura 23: Comparación agua tratada frente a objetivos de calidad
Finalmente se evaluaron las características finales de CT del agua tratada durante
el ensayo N° 2, y se estableció que alcanza los objetivos de calidad del agua
consignados en el Acuerdo 043 del 2006 de la CAR, para usos del agua para
consumo humano y doméstico con tratamiento convencional, preservación de flora
y fauna, uso agrícola y uso pecuario como se observa en la Figura 23 y lo
establecido en la resolución 1207 de 2014 que corresponden a 100000UFC/100ml.
6.2.4 Ensayo N° 3 y 4 Filtración – Fotocatálisis TiO2
Durante estos ensayos se realizó una etapa inicial de filtración durante 30 de
minutos con el objetivo de reducir la concentración de sólidos y de esta manera la
turbidez que potencializaría el efecto de la radiación ultravioleta tanto en los
procesos de oxidación con dióxido de titanio como en la desinfección.
Por consiguiente, se redujo el tiempo de tratamiento por fotocatálisis heterogénea a
60 minutos, minimizando la concentración del catalizador de 0,25 a 0,1g/L para
anular la interferencia en el proceso de transmitancia generado por el exceso de
nano partículas en solución y el fenómeno de apantallamiento.
310000
4200
1200130
1000
5000
20000
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0 60 120 180 210
Co
nc
etr
ac
ión
CT
(UFC
/100m
l)
Tiempo de Tratamiento (min)
Coliformes Totales Clase I (043 de 2006) Clase II y IV
102
Tabla 9: Ensayo N° 3
Técnica Tiempo (Min) Ensayo Día N° 3
COT UFC/100ml
Filtración 0 25,3 390000
30 14,24 380
Fotocatálisis (0,1g/l)
15 13,14 960
30 12,8 320
45 13,61 40
60 12,51 10 Este ensayo arrojo para la Turbidez una concentración inicial de 149 unidades sin
catalizador y una concentración final de 229 UNT.
La conductividad varió de 133,1 microSiemens a 249,0 una vez finalizado el ensayo
El pH inicial fue de 7,9 y final fue de 7,8
En el ensayo número 3 y 4 se observó una reducción del carbono orgánico total del
50,5 y el 63,4 % respectivamente después de 90 minutos de tratamiento (Tabla 9 y
Tabla 10). Esta reducción puede atribuirse a dos procesos dentro del sistema. En
primer lugar, una reducción de la fracción orgánica biodegradable por efecto de la
actividad biológica que se genera en los lechos, así como por procesos de adsorción
del material filtrante. Se ha establecido que la filtración como complemento al
tratamiento de aguas residuales puede remover entre el 20 y 30% de carga orgánica
en suspensión. En segundo lugar, una mineralización exitosa, es decir, que el
dióxido de titanio absorbió la radiación UV, generando pares electrón/hueco, lo cual
propicio reacciones de óxido-reducción en la superficie del TiO2; los pares de
electrón hueco fotogenerados dieron lugar a las reacciones de foto-oxidación y los
electrones de la banda de conducción a las reacciones de foto-reducción. De esta
manera se logró una disminución de la carga orgánica del agua en el sistema158.
158 VARELA REYES, Diana Jimena. Evaluación de la viabilidad técnica y de costos de la aplicación de un proceso avanzado de oxidación fotocatalítico en el tratamiento de aguas residuales del sector textil de Bogotá. Tesis de Maestría en Ingeniería Ambiental. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería. 2013. 160 p.
102
Tabla 10: Ensayo N° 4
Técnica Tiempo (Min) Ensayo Día N° 4
COT UFC/100ml
Filtración 0 35,76 350000
30 19,84 1400
Fotocatálisis (0,1g/l)
15 17,43 100
30 14,35 27
45 17,78 10
60 13,06 8
Este ensayo arrojo para la Turbidez una concentración inicial de 177unidades sin
catalizador y una concentración final de 197 UNT.
La conductividad varió de 296,5 microSiemens a 363,7 una vez finalizado el ensayo
El pH inicial fue de 7,9 y final de 7,7
Otro factor importante en la disminución del componente orgánico en los ensayos
se puede atribuir a las condiciones de pH del agua en el sistema. Como se observa
en la Tabla 9 y Tabla 10, el pH osciló ente 7,6 y 7,9; Se determina que la reducción
del carbono orgánico total es mayor en medio básico que en ácido, dado que a
valores altos de pH los iones hidroxido OH- absorbidos en la superficie del
catalizador son eficientemente atrapados por los electrones-hueco fotogenerados
para la formación de los radicales hidroxilos °OH159. Con un pH básico se garantiza
una cantidad suficiente de iones OH- que producirán los radicales °OH responsables
de la diminución de la carga orgánica.
En cuanto al proceso de desinfección el ensayo 3 y 4 arrojaron una eficiencia del
99,99% de remoción de Coliformes totales en los 90 minutos de tratamiento (
Figura 24). Los resultados obtenidos en esta investigación se pueden potenciar no
solo por la eliminación de Coliformes Totales, sino por la eficiencia que ha
demostrado la fotocatálisis heterogénea en la reducción e inactivación de esporas
resistentes de hongos agrícolas, como Curvularia sp.; un hongo fitopatógeno de
amplia distribución a nivel mundial y que afecta cultivos de arroz y maíz propios de
la región del alto Magdalena y la cuenca baja del Río Bogotá160.
159 CARBAJO OLLEROS, Jaime. Aplicación de la fotocatálisis solar a la degradación de contaminantes orgánicos en fase acuosa con catalizadores nanoestructurados de TiO2. Tesis de Doctorado. Madrid: Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC). 2013. 277 p. 160 AGUAS, Yelitza, et al. Solar photocatalytic disinfection of agricultural pathogenic fungi (Curvularia sp.) in real urban wastewater. En: Science of the Total Environment. 2017. Vol. 607, p. 1213-1224.
102
Figura 24: Comportamiento Carbono orgánico total y Coliformes totales ensayo 3 y
4
Fuente: Elaboración propia
Finalmente se realizó un quinto ensayo haciendo una reducción del catalizador a
0.05g/L y se incrementó el tiempo de recirculación a 90 minutos (Tabla 11).
6.2.5 Ensayo N° 5 Filtración – Fotocatálisis TiO2 (0.05g/L)
El ensayo N° 5 arrojo una reducción del carbono orgánico total del 47,01mg/L en el
tiempo 0 a 19,43mg/L en el minuto 90 que corresponde a una eficiencia del 58,6%.
Esta eficiencia es menor a la reportada por Miranda y colaboradores161 donde el
contenido orgánico se redujo de 26 a 16 mg/L es decir un 61,5% en un pH que vario
entre 7.82 a 8.22. De la misma manera Herrera et al, 2000162 a través de la
161 MIRANDA-GARCÍA, Norma, et al. Photocatalytic degradation of emerging contaminants in municipal wastewater treatment plant effluents using immobilized TiO2 in a solar pilot plant. En: Applied Catalysis B: Environmental. 2011. Vol. 103, no 3-4, p. 294-301. 162 HERRERA MELIÁN, José Alberto, et al. The photocatalytic disinfection of urban waste waters. En: Chemosphere. 2000. Vol. 41, no 3, p. 323-327.
35,76
13,06
25,3
12,51
0
5
10
15
20
25
30
35
0 30 45 60 75 90
1
5
25
125
625
3125
15625
78125
390625
Tíempo de Tratamiento en Minutos
Car
bo
no
Org
ánic
o T
ota
l (m
g/L)
UFC
/10
0m
l
Filtración Fotocatálisis COT(E4) COT(E3) CT(E4) CT(E3)
102
fotocatálisis logro reducir el 87% de carbono orgánico total de aguas residuales
urbanas, después de 2 h de irradiación con lámpara UV a pH natural, empleando
0.25g/L de TiO2.
Tabla 11: Ensayo 5 Filtración – Fotocatálisis TiO2 (0.05mg/L)
Técnica Tiempo (Min) Ensayo Día N° 5
COT UFC/100ml
Filtración 0 47,01 440000
30 34,08 26000
Fotocatálisis (0,05g/l)
15 9,67 700
30 14,07 120
45 13,83 85
60 18,66 54
75 12,76 28
90 19,43 26 Este ensayo arrojo para la Turbidez una concentración inicial de 197 unidades sin
catalizador y una concentración final de 124 UNT.
La conductividad varió de 447,5 microSiemens a 456,8 una vez finalizado el ensayo
El pH inicial en este ensayo fue de 8 y se redujo a 7,7, lo cual se puede atribuir a la
formación de productos oxidados intermedios como los ácidos carboxílicos antes de
la mineralización completa a CO2 que pudieron reducir el pH en el agua tratada.
La remoción de Carbono Orgánico Total (COT) durante los ensayos no alcanzó
porcentajes superiores al 63%. Estos resultados sugieren que durante el proceso
de fotocatálisis UV /TiO2, se genera una competencia entre las sustancias orgánicas
y las bacterias presentes simultáneamente para las especies de oxígeno reactivo
(ROS) generadas. Esta competencia es más importante principalmente cuando hay
fuertes interacciones de la superficie orgánica-TiO2, lo que sugiere que las
interacciones bacteria-TiO2 podrían desempeñar un papel clave en los procesos de
inactivación celular fotocatalítica. Los resultados de este trabajo coinciden con los
reportados por Moncayo et al. 2012, quienes evaluaron la degradación a través de
un proceso fotocatalítico de TiO2 de dos compuestos orgánicos (Resorcinol (R) e
Hidroquinona (H)) en presencia y en ausencia de bacterias bajo las mismas
condiciones oxidativas. Los autores reportaron una reducción del 100% de R y H a
los 90 y 120 minutos respectivamente, en ausencia de bacterias, mientras que en
presencia de microorganismos la disminución fue solo del 55% y 35% para R y H,
respectivamente. Por otro lado, después de 2h del proceso se inactivaron las células
102
de S. typhimurium y E. coli en tres y seis órdenes de magnitud, respectivamente.
Por el contrario, en presencia de R o H, la inactivación bacteriana a través de la
fotocatálisis disminuyó significativamente163.
En otro sentido, la reducción de eficiencia en la remoción de Carbono Organito Total
de esta investigación frente a otros estudios puede asociarse a la presencia de iones
metálicos disueltos en el agua del Río Bogotá que pudo afectar la velocidad y
eficiencia de las reacciones fotocatalíticas164. Por un lado, los iones metálicos
reaccionan con los electrones promovidos a la banda de valencia, lo que evita la
recombinación electrón–hueco y a su vez incrementa la formación de los radicales
hidroxilo. Al mismo tiempo, la presencia de estos iones metálicos, favorece procesos
de floculación dentro del proceso, lo que podría indicar que además de la
fotocatálisis, se presenta una separación por floculación, donde una parte de la
materia orgánica suspendida se precipitó y no se mineralizó, condición que se vio
favorecida por la basicidad del medio.
En cuanto a la desinfección el ensayo N° 5 corroboró los resultados obtenidos
durante los ensayos previos, alcanzado una eficiencia de reducción de Coliformes
totales del 99,99% en el minuto 90. Es importante mencionar que durante ninguno
de los ensayos se alcanzó una reducción de Coliformes totales del 100%,
básicamente porque la concentración inicial de bacterias presente en las aguas
residuales a tratar, juegan un papel importante en la desinfección fotocatalítica.
Concentraciones bacterianas más altas requieren más tiempo para la inactivación
total (Figura 25).165
163 MONCAYO-LASSO, Alejandro, et al. The detrimental influence of bacteria (E. coli, Shigella and Salmonella) on the degradation of organic compounds (and vice versa) in TiO2 photocatalysis and near-neutral photo-Fenton processes under simulated solar light. En: Photochemical & Photobiological Sciences. 2012. Vol. 11, no 5, p. 821-827. 164 LITTER, Marta I. Heterogeneous photocatalysis: transition metal ions in photocatalytic systems. En: Applied catalysis B: environmental. 1999. Vol. 23, no 2-3, p. 89-114. 165 RENGIFO-HERRERA, Julián Andrés, et al. TiO2 photocatalytic inactivation under simulated solar light of bacterial consortia in domestic wastewaters previously treated by UASB, duckweed and facultative ponds. En: Química Nova. 2010. Vol. 33, no 8, p. 1636-1639.
102
Figura 25: Comportamiento de los Coliformes Fecales durante los 5 ensayos
Fuente: Elaboración Propia
Finalmente, teniendo en cuenta que, en la cuenca baja inferior, se registra un
ascenso de los valores de DBO, SST y Coliformes Totales, así como una
disminución del Oxígeno disuelto el cual se puede explicar por la disminución en la
capacidad de reaireación de la corriente debido a la baja pendiente en este tramo,
la nitrificación (oxidación) de las diferentes especies de nitrógeno y la degradación
aeróbica de la materia orgánica aportada por las descargas domésticas de los
municipio de Tocaima y Girardot se hace un análisis comparativo de los límites
establecidos en la Resolución 1207 del 2014 y el Acuerdo 043 del 2006 para uso
agrícola frente a la caracterización de las aguas tratadas con el sistema auto
sostenible (Tabla 12 ).
102
Tabla 12: Comparación Normatividad Nacional frente al efluente tratado.
Parámetro Acuerdo 043 de 2006
Resolución 1207 de 2014
Sistema de tratamiento
Clase I Clase II Clase IV Uso Agrícola E1 E2 E3 E4 E5
DBO (mg/L) 7 7 50
Coliformes Totales (UFC/100ml)
5000 20000 20000 100000 95 1000 10 8 26
Turbidez (NTU) 20 21 82 229 197 124
pH 6,5-8,5 5,0-9,0 4,5-9,0 6,0-9,0 7,70 7,70 7,79 7,70 7,77
Conductividad (µS/cm)
1500 243 115 249 364 457
Como se logró establecer con las caracterizaciones iniciales, el parámetro que
merece más atención es el indicador de la contaminación bacteriana, es decir los
Coliformes Totales, ya que su concentración es la más alta por encima del estándar
de calidad para los diferentes usos, situación que se convierte en una limitante y
problemática de alto impacto teniendo en cuenta la captación que se realiza de
estas aguas para riego de diferentes cultivos. En consecuencia, el dispositivo
permitió durante los cinco ensayos realizados, alcanzar los objetivos de calidad para
este parámetro, así como cumplir con los límites establecidos para la turbidez, pH y
conductividad según la normatividad Nacional.
7. ANALISIS DE COSTOS Y VIABILIDAD
Como se mencionó anteriormente se realizó un análisis de costos y viabilidad del
sistema Auto-Sostenible, frente a otras alternativas que manejan la misma técnica.
Para la evaluación de alternativas se tomaron como referencia los estudios de
“Evaluación de la viabilidad técnica y de costos de la aplicación de un proceso
avanzado de oxidación fotocatalitico en el tratamiento de aguas residuales del
sector textil de Bogotá” – Universidad Nacional (2013)166 y el trabajo de “Evaluación
de un sistema de oxidación por fotocatálisis para la degradación del plaguicida
“thiodan 35 ec” (i.a. endosulfán) a nivel de laboratorio” Universidad de la Salle
(2008)167.
166 VARELA REYES, Diana Jimena. Op. Cit. 167 DUARTE BELTRAN, Carol Ximena; FORERO AUSIQUE, Víctor Fabián, Evaluación de un sistema de oxidación por fotocatálisis para la degradación del plaguicida “Thiodan 35 ec” (i.a. Endosulfán) a nivel de laboratorio. Trabajo de grado en Ingeniería Ambiental y Sanitaria.Bogotá: Universidad de La Salle, Facultad de Ingeniería Ambiental y Sanitaria, 2008. 236 p.
102
7.1 Sostenibilidad Económica
Para la evaluación de la sostenibilidad económica se tuvieron en cuenta las
variables de disponibilidad de recurso, costos ambientales y costo del manejo de
subproductos como se observa en la Tabla 13.
La disponibilidad de recursos se enfoca en los gastos de inversión, operación y
mantenimiento necesarios para el adecuado funcionamiento del dispositivo durante
un año. Los costos ambientales están relacionados con la inversión necesaria para
la diminución y prevención de impactos asociados a la construcción y puesta en
marcha del sistema de tratamiento. El costo de manejo de subproductos incluye
lo referente a pagos por disposición de residuos, lodos, control de emisiones y
demás subproductos que pudieran generarse durante la operación de los sistemas.
Tabla 13: Análisis de sostenibilidad económica de las alterativas
Alternativa Descripción Disponibilidad
de recursos
Costos
ambientales
Costo de
manejo de
Subproductos
Puntaje
1
Dispositivo Auto-
Sostenible
(Filtración -
Fotocatálisis
TiO2/UV)
Bajo Bajo Bajo
1 1 1 1
2
Sistema de
Oxidación por
Fotocatálisis
(Beltrán y Forero,
2008)
Medio Medio Bajo
0,55 0,66 0,66 0,33
3
Tratamiento
Mediante Técnica
Avanzada de
Oxidación (Valer,
2013)
Medio Medio Bajo
0,55 0,66 0,66 0,33
Para determinar la disponibilidad de recursos que se requiere para la
implementación del sistema Auto-Sostenible se evaluaron los costos del proyecto
incluyendo los aspectos relacionados con el diseño, la construcción y operación del
sistema. Dentro de los costos de inversión se incluyeron infraestructura, materiales
y equipos para cada una de las operaciones unitarias, así como costos por
instalación y conexión. En los costos de operación y mantenimiento, se hacen
referencia a los reactivos utilizados para el tratamiento de fotocatálisis heterogénea,
102
así como repuestos para la lámpara de desinfección y lecho filtrante de tal forma
que se garantice la disponibilidad de estos para un año de operación. Se incluyen
también costos de operario y sus elementos de protección personal, costos de
servicios públicos e Imprevistos del proyecto asumido como el 5% del costo total
del proyecto (Tabla 15).
Para el caso de las otras dos alternativas se tuvieron en cuenta los valores
referenciados en las investigaciones y los ajustes de valores de inversión, operación
y mantenimiento se realizaron teniendo en cuenta el incremento del Índice de
precios al consumidor (IPC) para cada año desde su publicación (Tabla 14).
Tabla 14: Análisis de Costos de Inversión, operación y mantenimiento de
alternativas
Alternativa Costos de
Inversión
Costos de
Operación y
Mantenimiento
TOTAL
Dispositivo Auto-
Sostenible (Filtración -
Fotocatálisis TiO2/UV)
$ 10.219.246,00 $ 14.467.117,62 $ 24.686.363,62
Sistema de Oxidación
por Fotocatálisis
(Beltrán y Forero,
2008)
$ 8.940.532,00 $ 26.355.573,00 $ 35.296.105,00
Tratamiento Mediante
Técnica Avanzada de
Oxidación (Valer,
2013)
$ 52.143.791,48 $ 93.122.531,00 $ 145.266.322,48
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 15: Costos de Inversión Operación y mantenimiento del equipo auto
sostenible.
INVERSIÓN
Infraestructura
Descripción Cantidad Valor
Unitario Valor Unitario
+ IVA VALOR TOTAL
RUEDAS UYUS 4 $ 25.515 $ 30.363 $ 121.451
TUBO DE ANGULO 1" 1 $ 22.689 $ 27.000 $ 27.000
ANGULO 1 1/2 1 $ 21.849 $ 26.000 $ 26.000
PLATINA 1 ½ 1 $ 41.176 $ 48.999 $ 48.999
102
TUBO CUADRADO 3/4 1 $ 11.345 $ 13.501 $ 13.501
MALLA ONDULADA 3.5 DE DIAMETRO 1 $ 44.550 $ 53.015 $ 53.015
MALLA ONDULADA 3.5 DE DIAMETRO 1 $ 20.250 $ 24.098 $ 24.098
MANO DE OBRA ORNAMENTADOR 1 $ 546.750 $ 650.633 $ 650.633
Sub-Total $ 964.696
Operaciones Unitarias
BOMBA DE POZO PROFUNDO 24 vdc 80 W, caudal 0.5 m3/h
1 $ 1.725.300 $ 2.053.107 $
2.053.107
PANELES SEMIFLEXIBLES 100W/120V 4 $ 371.385 $ 441.948 $
1.767.793
CONECTOR MC4 Y CABLEADO 1 $ 471.714 $ 561.340 $ 561.340
BATERIAS DE 75 AMP 2 $ 445.500 $ 530.145 $
1.060.290
INVERSOR DE ONDA PURA 400 W/24 V 1 $ 775.000 $ 922.250 $ 922.250
LAMPARA PARA UNIDAD UV MODELO S5Q 6GPM
1 $ 293.000 $ 348.670 $ 348.670
CUARZOS DE REEMPLAZO PARA UNIDAD UV S5Q-PA, SSM-24 - LINEA SILVER BASIC, VIQUA
1 $ 148.000 $ 176.120 $ 176.120
UNIDAD ULTRAVIOLETA 3 GPM, 125 PSI, CONEXIÓN 3/4" MNPT, DOSIS 30 Mj/cm2, POTENCIA 30 W, 120 V VIQUA
1 $ 1.399.000 $ 1.664.810 $
1.664.810
FILTRO DE ARENA DE 6 VALVULAS 1 $ 271.426 $ 322.997 $ 322.997
BULTO ARENA NATURAL 1 $ 25.000 $ 29.750 $ 29.750
TUBERIA: ACOPLES Y ACCESORIOS 1 $ 40.419 $ 48.099 $ 48.099
TUBERIA: MANGUERAS , ADAPTADORES Y LLAVES DE PASO
1 $ 101.534 $ 120.825 $ 120.825
UNIDAD ALTERNA PARA FOTOCATALISIS -Tanque de mezclado x 50L
1 $ 150.000 $ 178.500 $ 178.500
Sub-Total $
9.254.550
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
CATALIZADOR DIOXIDO DE TITANIO TiO2 (25Kilos)
1 $ 370.000 $ 440.300 $ 440.300
MATERIAL DE LABORAOTRIO - VASO DE PRECIPITADO 5
$ 10.000 $ 11.900 $ 59.500
CUARZOS DE REEMPLAZO PARA UNIDAD UV S5Q-PA, SSM-24 - LINEA SILVER BASIC, VIQUA
4 $ 148.000 $ 176.120 $ 704.480
Electricidad (Gastada por lámpara UV y bomba) $ 0 $ 0 $ 0
Operario (1 Año) 12 $ 828.116 $ 985.458
$ 11.825.496
Elementos de protección personal del operario 1 $ 120.000 $ 142.800 $ 142.800
BULTO ARENA NATURAL 4 $ 25.000 $ 29.750 $ 119.000
Sub-Total $
13.291.576
Imprevistos $
1.175.541
102
TOTAL
$ 24.686.364
Fuente: Elaboración Propia
7.2 Sostenibilidad Técnica
La sostenibilidad técnica contempla en primera instancia la facilidad de operación y
mantenimiento del dispositivo para las cuales se otorgó un valor bajo. Esta
calificación está asociada con la facilidad de operación del dispositivo, que no
requiere personal altamente calificado para su manejo. En el mismo sentido, el
diseño estructural del equipo facilita el mantenimiento del sistema porque:
✓ Permite realizar reparaciones, es decir, restauración o reemplazo de las
partes defectuosas o gastadas que afecten o interrumpan la operación del
dispositivo.
✓ Admite modificaciones y alteraciones de la configuración o diseño original del
equipo con miras a reducir el costo y aumentar la eficiencia. Gracias a la red
de válvulas de retención el dispositivo permite la reorganización de las
unidades operativas de acuerdo al recurso a tratar y a los objetivos de calidad
que se desean obtener.
✓ Facilita realizar sustituciones e instalación de unidades nuevas en lugar de
las existentes. En este caso puntual se facilita el remplazo de los cuarzos de
la unidad de desinfección UV, así como los lechos del sistema de filtración.
Tabla 16: Análisis de sostenibilidad Técnica de las alternativas propuestas
Alternativa Descripción Operación Mantenimiento Recursos
y materiales
Repuestos Requerimiento
de Área Funcionabilidad Puntaje
1
Dispositivo Autosostenible
(Filtración - Fotocatálisis
TiO2/UV)
Alto alto medio medio alto alto
0,89
1 1 0,66 0,66 1 1
2
Sistema de Oxidación por Fotocatálisis
(Beltrán y Forero, 2008)
medio medio medio medio medio medio
0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66
3
Tratamiento Mediante Técnica
Avanzada de Oxidación (Valer,
2013)
medio bajo bajo medio medio medio
0,55 0,66 0,33 0,33 0,66 0,66 0,66
7.3 Sostenibilidad Ambiental
El dispositivo autosotenible es una alternativa que permite la reducción de
contaminación de fuentes hídricas con alta carga orgánica y Coliformes Totales. En
102
el tratamiento de aguas del río Bogotá el sistema de tratamiento no generó ningún
subproducto que pudiera afectar al medio ambiente a diferencia de lo que ocurre en
sistemas de tratamiento convencional.
La condición de portátil y su tamaño reducido, implica que no se requiere de
remoción de cobertura vegetal o intervención del terreno para el establecimiento de
estructuras por lo tanto la afectación al suelo y el componente biótico es mínima.
Las operaciones unitarias del sistema no generan ruido y el consumo energético es
nulo gracias al usos de los paneles solares (Tabla 17).
Tabla 17: Análisis de sostenibilidad ambiental de las alternativas planteadas
Descripción
Protección de las
fuentes hídricas
Aprovechamiento y manejo de
Subproductos
Generación de ruido
Afectación al suelo
Afectación Flora y Fauna
Requerimientos Energéticos
Puntaje
Dispositivo Autosostenible
(Filtración - Fotocatálisis
TiO2/UV)
Bajo Medio Bajo Bajo Bajo Bajo
0,94 1 0,66 1 1 1 1
Sistema de Oxidación por Fotocatálisis
(Beltrán y Forero, 2008)
Bajo Medio Medio Medio Medio Alto
0,66 1 0,66 0,66 0,66 0,66 0,33
Tratamiento Mediante Técnica
Avanzada de Oxidación
(Valer, 2013)
Bajo Medio Medio Medio Medio Alto
0,66 1 0,66 0,66 0,66 0,66 0,33
Fuente: Elaboración Propia
El uso e implementación del dispositivo permitirá además reducir los impactos
ambientales causados por el uso de aguas superficiales contaminadas o el uso
indirecto no planificado de aguas residuales, sobre los aspectos físicos, bióticos y
abióticos de los ecosistemas naturales, específicamente en la cuenca baja del río
Bogotá que se describen en la Tabla 18: Identificación de impactos ambientales
causados por la contaminación de la cuenca baja del Río BogotáTabla 18¡Error!
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102
Tabla 18: Identificación de impactos ambientales causados por la contaminación de la cuenca baja del Río Bogotá
COMPONENTE ASPECTO IMPACTO AMBIENTAL
Físico
Aire
Alteración en la calidad del aire
• Generación de olores ofensivos por procesos de descomposición bacteriana.
• Producción de gases tóxicos (CH4 –H2S)
Suelo
Cambio de composición
• Alteración en las propiedades fisicoquímicas del suelo.
• Afectación a la agricultura por el uso del recurso para riego.
Aguas Cambio de Composición
• Eutrofización del recurso
• Reducción de Oxígeno Disuelto en el agua
Biótico Flora y Fauna
Alteración de especies
• Pérdida de biodiversidad
• Bioacumulación y biomagnificación de metales pesados en las cadenas tróficas.
• Afectaciones genéticas y malformación en fauna y flora expuesta a los contaminantes del rio.
Socio-Económico
Población Salud humana
• Enfermedades gastrointestinales por la ingestión directa e indirecta del agua.
• Infecciones en diferentes órganos o sistemas.
• Perdida de inocuidad de los productos
• Afectación al normal desarrollo de los cultivos
• Generación y propagación de plagas.
7.4 Sostenibilidad Social
Dentro de la sostenibilidad social del dispositivo se contempló la aceptabilidad del
proyecto, la generación de empleo y mejora en la calidad de vida. El valor asociado
102
a la generación de empleo es bajo pues únicamente se requiere de un operario para
el manejo de dispositivo. Sin embargo, la mejora en la calidad de vida permitirá a
los usuarios del sistema obtener recurso hídrico que cumple con los criterios de
calidad para uso del agua para consumo humano y doméstico con tratamiento
convencional, preservación de flora y fauna, uso agrícola y uso pecuario. Así como,
reducir los impactos referenciados en la Tabla 18, ocasionados por el uso de aguas
del Río Bogotá en actividades agrícolas, pecuarias y piscícolas.
Tabla 19 : Análisis de sostenibilidad social de las alternativas propuestas
Alternativa Descripción Aceptabilidad
del proyecto
Generación
de empleo
Calidad
de vida Puntaje
1
Dispositivo
Auto-sostenible
(Filtración -
Fotocatálisis
TiO2/UV)
Alto Bajo Alto
0,78 1 0,33 1
2
Sistema de
Oxidación por
Fotocatálisis
(Beltrán y
Forero, 2008)
Alto Bajo Medio
0,66 1 0,33 0,66
3
Tratamiento
Mediante
Técnica
Avanzada de
Oxidación
(Valer, 2013)
Alto Bajo Medio
0,66 1 0,33 0,66
Una vez realizada la ponderación final teniendo en cuenta el peso de cada variable
se observa en la Tabla 20 que el dispositivo auto sostenible supera las otras
alternativas propuestas. La superioridad del dispositivo se atribuye principalmente
a la independencia energética, los reducidos costos de operación y el impacto social
positivo en el área de influencia en la cuenca baja del Río Bogotá (Tabla 20).
102
Tabla 20: Análisis de costo y viabilidad de alternativas
Alternativa Alternativa Variable
(Cvi)
Calificación
Variable
(Cvi)
Peso
Variable
(Pi)
Calificación
tratamiento
∑ (Cvi x Pi)
1
Dispositivo
Auto
sostenible
(Filtración -
Fotocatálisis
TiO2/UV)
Económico 1,00 25%
0,90
Técnico 0,89 25%
Ambiental 0,94 25%
Social 0,78 25%
2
Sistema de
Oxidación
por
Fotocatálisis
(Beltrán y
Forero, 2008)
Económico 0,55 25%
0,63
Técnico 0,66 25%
Ambiental 0,66 25%
Social 0,66 25%
3
Tratamiento
Mediante
Técnica
Avanzada de
Oxidación
(Valer, 2013)
Económico 0,55 25%
0,61
Técnico 0,55 25%
Ambiental 0,66 25%
Social 0,66 25%
102
8. CONCLUSIONES
• El desarrollo de esta investigación permitió la obtención de un proceso que no solo optimizará la calidad del agua, sino que reducirá los impactos ambientales y protegerá la salud de las comunidades asentadas en la cuenca baja del Río Bogotá.
• En cuanto al diseño y/o construcción del dispositivo, las dimensiones
reducidas, permiten optimizar los recursos y el espacio requerido para el fácil
traslado. El diseño de una estructura modular y la facilidad de acople que
presenta entre sus operaciones unitarias, le concede atributos de movilidad
y facilidad de mantenimiento.
• El prototipo auto sostenible se puede presentar como una alternativa de
solución importante para contrarrestar las problemáticas ambientales
causadas por el uso de aguas del Rio Bogotá en actividades agrícolas,
piscícolas y pecuarias, efectuadas por pequeñas comunidades rurales.
• Para el tiempo de operación, el dispositivo garantiza la independencia
energética gracias al uso de energía solar fotovoltaica hasta por 8 horas
continuas, tratando un caudal aproximado de 34.560l/dia.
• El costo ambiental de operación y mantenimiento del dispositivo es bajo,
pues durante su instalación y funcionamiento no se producen afectaciones a
los componentes bióticos y abióticos de los ecosistemas.
• El sistema se presenta con una alternativa para el suministro de aguas
superficiales que cumplan con los objetivos de calidad ya sea para uso
doméstico o agrícola en zonas de difícil acceso y que no cuenten con
servicios públicos domiciliarios.
• La caracterización inicial de las muestras del Río Bogotá tomadas en la
vereda Portachuelo indican que el cuerpo de aguas superficial no cumple con
los objetivos de calidad establecidos en el acuerdo 043 del 2006 para uso del
agua para consumo humano y doméstico con tratamiento convencional,
preservación de flora y fauna, uso agrícola y uso pecuario.
• La contaminación microbiológica sigue siendo el principal problema en la
cuenca baja del Río Bogotá, favorecido por las condiciones de anaerobiosis
en los tramos comprendidos entre la estación de monitoreo puente portillo
hasta la desembocadura sobre el Magdalena y las descargas de aguas
residuales domésticas del municipio de Tocaima.
• Se estableció que los métodos combinados más adecuados para el
tratamiento de aguas del Rio Bogotá corresponde a un proceso de filtración
durante 30 minutos y fotocatálisis con TiO2/UV durante 60 minutos.
102
• Las condiciones óptimas determinadas mediante los ensayos N° 1 y N° 2
para el tratamiento fotocatalítico del agua del Río Bogotá son 0.1mg/L y un
pH entre 7-8 que indican un requerimiento de bajas concentraciones de
catalizador y un medio básico para generar el proceso de oxidación.
• Bajo las condiciones óptimas el proceso alcanzo un porcentaje de remoción
de COT de 63,47% y de desinfección del 99,99% durante 90 minutos de
tratamiento.
• Los tratamientos de fotocatálisis con dióxido de titanio tienen en general
poder desinfectante, tomando como referencia criterios establecidos por la
EPA, que establece que un agente es desinfectante si se consigue eliminar
1 unidad logarítmica en relación al microorganismo objeto de estudio.
• La composición de la muestra es un factor influyente en la eficacia del
proceso de fotocatálisis pues la presencia de microorganismos, materia
orgánica u otros compuestos oxidables pueden reducir el efecto
desinfectante y la mineralización del COT.
102
9. RECOMENDACIONES
• Se recomienda que la autoridad ambiental realice un seguimiento y control
de los parámetros con los cuales están siendo vertidas las aguas residuales
sobre el Río Bogotá y si estos cumplen con lo establecido en la Resolución
631 del 2015
• Es necesario realizar un control sobre la captación del recurso que se hace
sobre la cuenca baja del rio Bogotá para uso agrícola, de tal forma que se
reduzcan los impactos ambientales generados sobre los ecosistemas
naturales y la salud humana.
• Se recomienda ampliar el rango de contaminantes evaluados, incluyendo
compuestos inorgánicos como metales pesados o nutrientes como el
Nitrógeno y Fosforo, de tal forma que se garantice la calidad del agua del rio
Bogotá para uso agrícola, piscícola y pecuario.
• Para investigaciones futuras se puede sustituir el lecho filtrante por otro tipo
de material que favorezca los procesos de adsorción y absorción de iones
metálicos y contaminantes inorgánicos.
102
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