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Reducci�n de la concentraci�n de cromo en muestra de lixiviados de ladrillos utilizando biofiltros

 

Reduction of chromium concentration in brick leachate sample using biofilters

 

Redu��o da concentra��o de cromo em amostra de lixiviado de tijolo usando biofiltros

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: estuardo.carrillo@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de enero de 2023 *Aceptado: 12 de febrero de 2023 * Publicado: 04 de marzo de 2023

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.
2. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.
3. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

Resumen

El agua es un recurso natural importante para el desarrollo de la vida el cual es utilizado por la humanidad para uso industrial y dom�stico. El tratamiento de estas aguas asegura calidad de vida. Una de las formas econ�micas es por biosorci�n, un proceso que permite captura de iones met�licos a trav�s de materia org�nica que contiene en su interior lignina, por su afinidad a retener metales. El objetivo de este trabajo fue precisamente determinar la reducci�n de concentraci�n de Cromo en muestras de agua con alto contenido en �ste, utilizando biofiltros con productos comercializados para otras utilidades, como las mantas org�nicas. Se dise�� un biofiltro con manta org�nica de coco, arena y gravilla sil�cea y carb�n activado, como lecho filtrante para agua residual. En base a un estudio anterior, los materiales fueron colocados en una columna con los espesores proporcionados en �ste. Durante el presente proyecto, se estudi� el efecto del contenido de lignina en el poder reductor del biofiltro. Para ello, manteniendo los espesores del estudio previo citado, se vari� la masa de biofiltro, es decir, se aument� la densidad de estos materiales a trav�s de compactaciones. Se realiz� la caracterizaci�n del agua inicial y final para determinar la concentraci�n y el porcentaje de reducci�n de cromo, anotando, adem�s, el tiempo de retenci�n en cada caso.

Palabras Clave: Biofiltro; biorrollo; manta org�nica de coco; agua residual; Cromo (Cr+6); porcentaje de reducci�n; compactaci�n.

 

Abstract

Water is an important natural resource for the development of life which is used by humanity for industrial and domestic use. The treatment of these waters ensures quality of life. One of the economic ways is by biosorption, a process that allows the capture of metal ions through organic matter that contains lignin inside, due to its affinity to retain metals. The objective of this work was precisely to determine the reduction of Chromium concentration in water samples with a high Chromium content, using biofilters with products marketed for other uses, such as organic blankets. A biofilter was designed with an organic coconut blanket, siliceous sand and gravel, and activated carbon, as a filter bed for residual water. Based on a previous study, the materials were placed in a column with the thicknesses provided in it. During the present project, the effect of the lignin content on the reducing power of the biofilter was studied. To do this, maintaining the thicknesses of the previous study cited, the biofilter mass was varied, that is, the density of these materials was increased through compaction. The characterization of the initial and final water was carried out to determine the concentration and percentage of chromium reduction, noting, in addition, the retention time in each case..

Keywords: biofilter; bioroll; organic coconut blanket; residual water; Chromium (Cr+6); percentage reduction; compaction.

 

Resumo

Water is an important natural resource for the development of life which is used by humanity for industrial and domestic use. The treatment of these waters ensures quality of life. One of the economic ways is by biosorption, a process that allows the capture of metal ions through organic matter that contains lignin inside, due to its affinity to retain metals. The objective of this work was precisely to determine the reduction of Chromium concentration in water samples with a high Chromium content, using biofilters with products marketed for other uses, such as organic blankets. A biofilter was designed with an organic coconut blanket, siliceous sand and gravel, and activated carbon, as a filter bed for residual water. Based on a previous study, the materials were placed in a column with the thicknesses provided in it. During the present project, the effect of the lignin content on the reducing power of the biofilter was studied. To do this, maintaining the thicknesses of the previous study cited, the biofilter mass was varied, that is, the density of these materials was increased through compaction. The characterization of the initial and final water was carried out to determine the concentration and percentage of chromium reduction, noting, in addition, the retention time in each case.

Palavras-chave: biofiltro; bioroll; cobertor de coco org�nico; �gua residual; Cromo (Cr+6); redu��o percentual; compacta��o.

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Introducci�n

• Agua

El agua es la sustancia que m�s abunda en la Tierra y es la �nica que se encuentra en la atm�sfera en estado l�quido, s�lido y gaseoso (Dominguez, Pesce and Achkar, 2005). La mayor reserva de agua est� en los oc�anos, que contienen el 97% del agua que existe en la Tierra. Se trata de agua salada, que s�lo permite la vida de la flora y fauna marina (Jara, 2018). El resto es agua dulce, pero no toda est� disponible: gran parte permanece siempre helada, formando los casquetes polares y los glaciales (FAO, 1993).

Debido al valor que tiene para el hombre y para la econom�a, el agua ha estado ligada a las actividades humanas desde tiempos hist�ricos (Merkel, 2003), y constituye un recurso fundamental para nuestras vidas y para el conjunto de los ecosistemas existentes en nuestro planeta, de forma que es imprescindible trabajar para disponer de una cantidad de agua suficiente y con adecuada calidad, y que a su vez permita conseguir un buen estado de los r�os y acu�feros, gestionando a la vez los riesgos naturales derivados (Ministerio para la Transici�n Ecol�gica, 2016)

Como lo sostiene (Merkel, 2003), por diferentes razones el recurso del agua se encuentra distribuida en el mundo de una manera desigual, y la cantidad de agua dulce existente en la tierra es limitada, y su calidad est� sometida a una presi�n constante (Barraqu�, 2003). La conservaci�n de la calidad del agua dulce es importante para el suministro de agua de bebida, la producci�n de alimentos y el uso recreativo (OMS, 2015).

La disponibilidad de agua promedio anual en el mundo es de aproximadamente 1,386 millones de km³, de estos el 97,5% es agua salada, el 2,5%, es decir 35 millones de km³, es agua dulce y de �sta casi el 70% no est� disponible para consumo humano debido a que se encuentra en forma de glaciares, nieve o hielo. (G�mez-Duarte, 2018)

Los recursos h�dricos se encuentran en peligro, los m�s importantes y estrat�gicos est�n sometidos a un alto grado de vulnerabilidad, por negligencia, falta de conciencia y desconocimiento de la poblaci�n acerca de la obligaci�n de protegerlos y la carencia de autoridades, profesionales y t�cnicos, a los que les corresponde cuidarlos y utilizarlos. (Reynolds, 2002)

Cerca de una tercera parte de la poblaci�n del planeta vive en pa�ses que sufren una escasez de agua alta o moderada (UNECE, 2022). Unos 80 pa�ses, que representan el 40% de la poblaci�n mundial, sufr�an una grave escasez de agua a mediados del decenio de los noventas, y se calcula que en menos de 25 a�os las dos terceras partes de la poblaci�n mundial estar�n viviendo en pa�ses con escasez de agua. Se prev� que para el a�o 2020, el aprovechamiento de agua aumentar� en un 40%, y que aumentar� un 17% adicional para la producci�n alimentar�a, a fin de satisfacer las necesidades de una poblaci�n en crecimiento. (CEPAL, 2002)

La Organizaci�n Mundial de la Salud (OMS) considera que la cantidad adecuada de agua para consumo humano (beber, cocinar, higiene personal, limpieza del hogar) es de 50 l/hab-d�a. A estas cantidades debe sumarse la utilizaci�n para la agricultura, la industria y, por supuesto, la conservaci�n de los ecosistemas acu�ticos, fluviales y, en general, dependientes del agua dulce. Teniendo en cuenta estos par�metros, se considera una cantidad m�nima de 100 l/hab-d�a.

El agua de consumo debe tener caracter�sticas organol�pticas aceptables para el consumidor, dicha aceptabilidad depende de la concentraci�n de sus componentes y adem�s de su car�cter social ambiental y cultural (OMS, 2018).

Los pa�ses que tienen una gran disponibilidad de agua potable se encuentran en situaci�n de riesgo debido a los efectos de la contaminaci�n agr�cola e industrial sobre la calidad de las aguas (�lvarez-V�zquez and U�a-�lvarez, 2019). Adem�s, si bien varios pa�ses llevan a cabo planes de gesti�n de los recursos h�dricos superficiales, no ocurre lo mismo con relaci�n a las aguas subterr�neas. (Roca, Oliver and Rodr�guez, 2003)

• Calidad de Agua

La calidad del agua se define como el conjunto de caracter�sticas del agua que pueden afectar su adaptabilidad a un uso espec�fico, la relaci�n entre esta calidad del agua y las necesidades del usuario (Mendoza, 1996). Seg�n su uso, se definir� en funci�n de un conjunto de caracter�sticas fisicoqu�micas o variables, as� como de sus valores de aceptaci�n o de rechazo es estimado de acuerdo a los indicadores de la calidad del agua (Gil-Mar�n, Vizcaino and Monta�o-Mata, 2018). Aquellas aguas que cumplan con los est�ndares pre establecidos para el conjunto de variables o caracter�sticas consideradas ser�n aptas para la finalidad a la que se las destina. En caso contrario, deber�n ser objeto de tratamiento o depuraci�n previa (Garc�a, 2013).

Pueden establecerse diferentes categor�as de clasificaci�n de calidad, atendiendo a la existencia de caracter�sticas fisicoqu�micas con valores inadmisibles o, simplemente, mejorables (Arze et al., 2010). Una clasificaci�n de los indicadores de la calidad del agua para el consumo humano, utilizada por la Agencia de Protecci�n de Medio Ambiente de los Estados Unidos, se distingue entre indicadores primarios y secundarios (Chac�n, 2016). Los primarios los componen cuatro grupos:

1. Productos qu�micos inorg�nicos (presencia de metales y compuestos).

2. Productos qu�micos org�nicos (por ejemplo, pesticidas).

3. Sustancias radioactivas.

4. Microorganismos

La evaluaci�n de la calidad del agua es un proceso de enfoque m�ltiple que estudia la naturaleza f�sica, qu�mica y biol�gica del agua con relaci�n a la calidad natural, efectos humanos y acu�ticos relacionados con la salud (FAO, 1993).

Tambi�n la calidad del agua se puede definir por su contenido de s�lidos y gases, ya sea que est�n presentes en suspensi�n o en soluci�n (Bhattacharya, Tuck and Chakraborty, 2012). Sobre el particular es conveniente recordar que el agua es por naturaleza, �el solvente universal� y que durante su traves�a por la atmosfera y su recorrido por la cuenca recoge entre otros, trazas de gases contaminantes atmosf�ricos porciones de �rboles y de otros tipos de vegetaci�n, as� como sedimentos y solutos del suelo. (Caballero, 1990)

La contaminaci�n causada por efluentes dom�sticos e industriales, la deforestaci�n y las malas pr�cticas de uso de la tierra, est�n reduciendo notablemente la disponibilidad de agua (Crisci et al., 2021). La cuarta parte de la poblaci�n mundial, que principalmente habita en los pa�ses en desarrollo, sufre escasez severa de agua limpia, lo que provoca m�s de diez millones de muertes al a�o, por enfermedades relacionadas a la contaminaci�n h�drica (Escobar, 2002).

Muchas de las actividades humanas contribuyen a la degradaci�n del agua, afectando su calidad y cantidad (Cuenca et al., 2019). Entre las causas de mayor impacto a la calidad del agua en las cuencas hidrogr�ficas, est� el aumento y concentraci�n de la poblaci�n, actividades productivas no adecuadas, mal uso de la tierra, contaminaci�n del recurso h�drico con aguas servidas, carencia de sistemas adecuados de saneamiento, principalmente en las zonas rurales. (Urquidi, 1997) De igual manera, la contaminaci�n por excretas humanas representa un serio riesgo a la salud p�blica (OMS, 2015).

• Aguas residuales

A las aguas negras tambi�n se les denomina aguas servidas, aguas residuales, aguas fecales, o aguas cloacales (Mcjunkin, 1988). Son residuales, porque habiendo sido usada, constituyen un residuo, algo que no sirve para el usuario directo; son negras por el color que habitualmente tienen, y cloacales porque son transportadas mediante cloacas, nombre que se le da habitualmente al colector (Altafin, 2020).

Las aguas residuales pueden definirse como las aguas que provienen del sistema de abastecimiento de agua de una poblaci�n, despu�s de haber sido modificadas por diversos usos en actividades dom�sticas, industriales y comunitarias (Mara, 1976).

Seg�n (Pettygrove and Asano, 1990) las aguas se pueden clasificar en:

�       Aguas residuales dom�sticas: Son las aguas de origen principalmente residencial (desechos humanos, ba�os, cocina) y otros usos similares que en general son recolectadas por sistemas de alcantarillado en conjunto con otras actividades (comercial, servicios, industria). Esta agua tiene un contenido de s�lidos inferior al 1%. Si bien su caudal y composici�n es variable, pueden tipificarse ciertos rangos para los par�metros m�s caracter�sticos.

�       Aguas residuales industriales: Son aguas provenientes de los procesos industriales y la cantidad y composici�n de ellas es bastante variable, dependiente de la actividad productiva y de muchos otros factores (tecnolog�a empleada, calidad de la materia prima, etc.). As� estas aguas pueden variar desde aquellas con alto contenido de materia org�nica biodegradable (mataderos, industria de alimentos), otras con materia org�nica y compuestos qu�micos (curtiembre, industria de celulosa) y finalmente industrias cuyas aguas residuales contienen sustancias inorg�nicas u org�nicas no degradables (metal�rgicas, textiles, qu�micas, mineras).

�       Aguas de lluvias: La escorrent�a generada por aguas de lluvias es menos contaminada que las aguas residuales dom�sticas e industriales, y su caudal mayor. La contaminaci�n mayor se produce en las primeras aguas que lavan las �reas por donde escurre.

Por tanto, toda el agua utilizada en procesos industriales deber�a ser tratada, previo a su descarga. El mal manejo de estos efluentes causa cambios en la calidad del ambiente afectando su armon�a natural y produciendo da�os en la salud humana (Lobo, 2014).

• Metales pesados

Los metales pesados en aguas y sedimentos son importantes su determinaci�n por su elevada toxicidad, alta persistencia y r�pida acumulaci�n por los organismos vivos. Los efectos t�xicos de los metales pesados no se detectan f�cilmente a corto plazo, aunque si puede haber una incidencia muy importante a medio y largo plazo. Los metales son dif�ciles de eliminar del medio, puesto que los propios organismos los incorporan a sus tejidos y de �stos a sus depredadores, en los que se acaban manifestando. La toxicidad de estos metales pesados es proporcional a la facilidad de ser absorbidos por los seres vivos, un metal disuelto en forma i�nica puede absorberse m�s f�cilmente que estando en forma elemental, y si esta se halla reducida finamente aumentan las posibilidades de su oxidaci�n y retenci�n por los diversos �rganos (Correa, Fuentes and Coral, 2021)

Reducci�n de metales pesados Sustancias t�xicas y metales pesados (cianuros, biocidas, �cidos, cobre, cromo, n�quel, zinc, plomo, cadmio, mercurio, etc.) en concentraciones altas afectan a la biota y al hombre, se acumulan en el organismo y producen afecciones cr�nicas dif�ciles de reconocer. Provienen de la industria qu�mica y farmac�utica en general. (Pab�n et al., 2020)

Para el c�lculo de porcentaje de reducci�n se lo realizara por la siguiente formula en cada uno de los par�metros establecidos tomado de Duque-Sarango, Pati�o and L�pez (2019).

% Porcentaje de reducci�n *100

• Toxicidad del Cromo

Las Normas internacionales para el agua potable de la OMS de 1958 recomendaron una concentraci�n m�xima admisible de cromo (hexavalente) de 0,05 mg/l, bas�ndose en los posibles efectos perjudiciales para la salud. Este valor se mantuvo en las Normas internacionales de 1963. El cromo no se evalu� en las Normas internacionales de 1971. En la primera edici�n de las Gu�as para la calidad del agua potable, publicada en 1984, se mantuvo el valor de referencia de 0,05 mg/l, y se especific� que se refer�a al cromo total debido a la dificultad de analizar �nicamente la forma hexavalente. Las Gu�as de 1993 pusieron en duda el valor de referencia de 0,05 mg/l debido a la capacidad cancer�gena del cromo hexavalente por inhalaci�n y a su genotoxicidad, pero los datos toxicol�gicos disponibles no justificaban la determinaci�n de un nuevo valor de referencia. Como medida pr�ctica se mantuvo como valor de referencia provisional 0,05 mg/l una concentraci�n que se considera que es poco probable que implique riesgos significativos para la salud hasta que se disponga de informaci�n nueva y el cromo pueda ser evaluado de nuevo (Lacma, Iannacone and Vera, 2007).

En aguas naturales el cromo existe en sus dos estados de oxidaci�n estables y . La relaci�n entre estas dos formas de cromo depende de, la transformaci�n qu�mica fotoqu�mica, y de las reacciones de precipitaci�n-disoluci�n y de adsorci�n-desorci�n. (Campanella,1996) encontr� que bajo condiciones anoxicas o suboxicas las formas de eran predominantes, mientras que, en soluciones acuosas oxigenadas el predomino a pH≤ 6 y los iones CrO₄^2- a pH ≥7. En las aguas residuales las formas de Cr tienen distinta naturaleza y comportamiento que, en las aguas naturales, dado que, las condiciones fisicoqu�micas de los residuos var�an de acuerdo con la fuente industrial. En estas aguas la presencia y concentraci�n de las formas de Cr dependen principalmente del pH y de los residuos org�nicos e inorg�nicos presentes en los materiales provenientes (Rodriguez, Marchese and Ojea, 1933).

En un estudio de carcinog�nica a largo plazo en ratas a las que se suministr� por v�a oral no se observ� ning�n aumento de la incidencia de tumores. En ratas, el es cancer�geno por inhalaci�n, pero los escasos datos disponibles no son indicativos de capacidad cancer�gena por v�a oral. En estudios epidemiol�gicos se ha determinado una asociaci�n entre la exposici�n por inhalaci�n al y el c�ncer de pulm�n. El centro internacional de investigaciones sobre el c�ncer ha clasificado el en el Grupo 1 (cancer�geno para el ser humano) y el �en el Grupo 3. Los compuestos de muestran actividad en una amplia diversidad de pruebas de genotoxicidad in vitro e in vivo, pero los compuestos de no muestran dicha actividad (Lacma, Iannacone and Vera, 2007).

Los efectos biol�gicos del Cr dependen de su estado de oxidaci�n. El Cr⁺⁶ es considerado la forma m�s t�xica del metal, debido a que atraviesa f�cilmente las membranas biol�gicas y puede ser transportado activamente al interior de las c�lulas por medio del transportador de sulfato; por su analog�a qu�mica con el sulfato, el cromato es un inhibidor competitivo del transporte de aquel ion esencial. El Cr⁺⁶ es altamente t�xico para todas las formas de vida, siendo mutag�nico y carcinog�nico en el hombre y mutag�nico en bacterias. Se ha propuesto que la toxicidad del Cr⁺⁶ se debe a que, al igual que otros metales, produce estr�s oxidativo (Guti�rrez and Cervantes, 2008).

Tabla: Compuestos de Cr y su uso en diferentes procesos de la industria

Fuente: Figueroa

 

• �Biofiltro

El biofiltro es un m�todo que busca imitar humedades que se encuentra en la naturaleza depurando aguas residuales, los biofiltros son humedades artificiales de flujo constante, dise�ados para eliminaci�n de contaminantes existente en este tipo de aguas pueden fluir de sentido horizontal o vertical (Water and sanitation program, 2008).

El biofiltro consiste en un conducto impermeabilizado en las paredes que contiene un lecho filtrante que puede ser de piedra volc�nica, grava arena o cualquier otro material que contenga caracter�sticas similares dentro de los cuales se da un proceso biol�gico realizado por bacterias que se encuentran dentro del mismo como las ra�ces, cascaras de frutas, fibras vegetales las cuales fijan y degradan nutrientes contenidos tanto en el agua como en el suelo (Delgado and P�rez, 2010).

Es una barreara permeable que los poros son m�s peque�os que la part�culas que se encuentran en suspensi�n las cuales son separadas del fluido y retenidas en el biofiltro, los medios filtrantes los poros pueden ser m�s gruesos que las part�culas que se van a separar a los que van a separar las cuales pueden acompa�ar al fluido alguna distancia a trav�s del medio, pero son retenidas m�s pronto o m�s tarde por el medio filtrante en los finos intersticios que existen entre las part�culas que lo constituyen. El medio filtrante acaba obstruy�ndose por las part�culas acumuladas; se debe entonces lavar con fluido claro para limpiarlo y permitir que siga la filtraci�n (Gualteros and Chac�n, 2015).

La biosorci�n de metales es un proceso complejo, que involucra diversos mecanismos, y que adem�s se ve seriamente afectado por muchos factores. Posteriormente, se da la difusi�n del metal en el adsorbente, para que finalmente se d� el proceso de adsorci�n, qu�mico o f�sico, donde se dan como tal las interacciones del metal en los sitios activos del adsorbente. Igualmente, es esencial para comprender como se da la uni�n metal-biomasa, identificar la estructura principal de los adsorbentes de origen vegetal, siendo trascendental la funci�n de la pared celular, la cual est� constituida principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. (Tejada, 2014)

La aplicaci�n de la bioadsorci�n en la purificaci�n de aguas residuales presenta un gran potencial por biomasas naturales. A trav�s de hoja de caf�, que se pueden obtener en grandes cantidades y son baratas, se puede remover selectivamente �de soluciones acuosas a flujo continuo. (Higuera, Arroyave and Flores, 2009)

Un ejemplo es el uso de la cabuya para la construcci�n de barreras reactivas permeables para la eliminaci�n de metales pesados. Seg�n (Blanco and Mu�oz, 1991) concluye que, en el tiempo que est� en contacto con los contaminantes, la cabuya tiene buena capacidad de adsorci�n hacia metales pesados.

La harina de c�scara de banano maduro tambi�n presenta un gran potencial para la reducci�n de �y , debido a los grupos funcionales (hidroxilos, carboxilos y alquilo) presentes en su estructura molecular (Castro, 2015).

Por otro lado, otros materiales como arena, grava, piedra p�mez han sido utilizados en muchas investigaciones con buenos resultados (Sarango Araujo y S�nchez Ram�rez, 2016).

El presente estudio se deriva de una investigaci�n anteriormente realizada para la obtenci�n del t�tulo de Grado Ingeniero en Biotecnolog�a Ambiental en la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo. En �sta, se marc� como objetivo el determinar la reducci�n de concentraci�n de �a trav�s de cabuya (Furcraea andina), en muestras de agua de la curtiembre �El Nuevo Mundo� ubicada en la parroquia la Pen�nsula, de la ciudad de Ambato utilizando la cabuya Furcraea Andina. La investigaci�n se llev� a cabo en el laboratorio de An�lisis (Carrillo, 2017)

 

Materiales y m�todos

Para estudio es necesario dos materiales fundamentales: un biofiltro y un agua residual con alto contenido en cromo, para ver la eficiencia del biofiltro en la retenci�n de.

• Biofiltro

Para la construcci�n del biofiltro, se adquirieron 3 biorrollos comerciales de la empresa Bonterra. Se tratan de estructuras cil�ndricas compuestas de fibra org�nica, polipropileno, polipropileno multifilamentado, poli�ster de alta tenacidad o nylon, de gran resistencia a la acci�n del agua, muy compacta, rellena de diferentes fibras org�nicas, como coco, esparto o paja. Se suelen utilizar para la protecci�n de las orillas de los cauces, en la restauraci�n de c�rcavas y barranquera, y/o en la restauraci�n de taludes.

Imagen: Biorrollos

Fuente: Bonterra Ib�rica SL

 

Los biorrollos la mayor ventaja es que este producto se lo expende comercialmente por lo cual la disponibilidad es alta contiene biomasa en su interior dentro de las aplicaciones nombradas es que tiene un potencial reductor de metales pesados por lo cual tendr�a la facilidad de incorporarse a terrenos cercanos a las industrias contaminantes de Cr (Climate, 2017).

Para la elecci�n del material filtrante se envi� una muestra de cada tipolog�a (fibra de coco, esparto, y fibra de coco m�s paja, respectivamente) al centro tecnol�gico �Cicap� para analizar el porcentaje de lignina por el m�todo de Acid Detergent Lignin �ADL�. Los resultados se muestran a continuaci�n

 

Tabla: Resultados de porcentaje de lignina

 

De los resultados obtenidos, se deduce que el material formado por fibra de coco presentar� mayor retenci�n de �debido a su mayor contenido en lignina, por lo que ser� el material con el que se formar� los biofiltros.

• Elementos del filtro
• Arena

Se trata de una arena sil�cea lavada de r�o, estandarizada por el Centro de Estudios y Experimentaci�n de Obras P�blicas (CEDEX) con el tama�o m�nimo de 0 mm y m�ximo de 4mm. Las diferentes capas del filtro con esta arena van a capturar part�culas suspendidas con la finalidad de dejar el agua muy clara y transparente

• Grava

Se trata de una grava sil�cea, de tama�o 8-16 mm, usualmente utilizada para la fabricaci�n de hormig�n, y cuya misi�n en el biofiltro es evitar la dispersi�n y floculaci�n del biorrollo. Esta se encarga de reducir la velocidad del agua y la distribuye uniformemente para ir capturando y eliminando todos g�rmenes vivos y contaminantes org�nicos e inorg�nicos. 

• Carb�n activo

El carb�n activo es un material extremadamente poroso, que posee poros menores a 2 nan�metros y son muy eficientes en los fen�menos de adsorci�n. �ste es un proceso que se basa en la atracci�n de mol�culas pesadas a una superficie s�lida a medida que el agua fluye a trav�s de un filtro de carb�n activado granular. El carb�n activado trabaja como tamiz extrayendo los materiales pesados que se encuentran en el agua residual (Condonchen, 2009)

• Agua residual

A pesar de que el dise�o del biofiltro que se pretende en esta investigaci�n busca proporcionar una soluci�n a las industrias con aguas residuales con alto contenido en cromo, y debido a la dificultad en las localizaciones y permisos para la toma de muestra de �stas, se decidi� utilizar un agua procedente de la lixiviaci�n de material cer�mico triturado. En investigaciones paralelas, se ha demostrado que los ladrillos cer�micos que se encuentran triturados en los residuos de construcci�n y demolici�n (RCD) proporcionan un alto contenido de Cromo en el agua lixiviado, y, por lo tanto, es un aspecto para tener en cuenta en su disposici�n en vertederos y/o en su valorizaci�n y reutilizaci�n. Es, por tanto, un buen sustituto del agua residual de f�brica, con alto contenido en cromo.

Imagen: Agua residual procedente de lixiviaci�n de cer�mico triturado

Fuente: Carrillo William, 2018

 

M�todos

• Construcci�n de los biofiltros

Se tom� como base el dise�o del filtro utilizado en mi estudio de grado con el t�tulo �Determinar la reducci�n de concentraci�n de �en muestras de agua de la curtiembre el nuevo mundo en la ciudad de Ambato utilizando la cabuya como biofiltro a diferentes longitudes�. La principal diferencia fue el molde utilizado, debido a que el di�metro interior fue de 5 cm y no de 30 cm como el anterior.

 

El filtro contiene una capa con cada uno de los materiales descritos en el apartado 4.1, de con los espesores mostrados en la . Es importante destacar que para favorecer una mejor separaci�n entre capas y evitar la saturaci�n de poros en el biorrollo, se colocaron papel de filtro con formar circular a modo de barreras.

Elaborado: Carrillo William,2018

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Para estudiar la influencia de la masa de biorrollo, y, por tanto, del contenido de lignina en el filtrado, se construyeron en columnas 6 biofiltros diferentes con diferentes densidades de biorrollo.

Para ello, se utiliz� una masa met�lica de 450 g gramos de peso, que se dejaba caer libremente sobre el material, a una altura de ca�da de 20.5 cm para la primera capa y 9.7 cm para la segunda repetitivamente, para proporcionar aproximadamente 0,01 J/cm³.golpe.

 

Tabla: Datos de Compactaci�n

Elaborado por: Carrillo William, 2018

 

• Obtenci�n del agua residual

Tal y como se ha comentado en el apartado 4.2, C�rdoba no posee industrias destacables que proporcionen agua residual con alto contenido en cromo como pueden ser las de acabado de textiles, preparaci�n, curtido y acabado del cuero, fabricaci�n de explosivos y art�culos pirot�cnicos, fabricaci�n de azulejos y baldosas de cer�mica, fabricaci�n de maquinaria para la industria metal�rgica, fabricaci�n de material ferroviario, fabricaci�n hornos y quemadores�etc (AMBISAT, 2004). En todo caso, las empr

esas son bastantes reacias y el acceso para las tomas de muestras en industrias nos fue bastante limitado.

Por esta raz�n, se tom� la decisi�n de estudiar la retenci�n de Cr del agua lixiviada de part�culas cer�micas, y para ello, en primer lugar, se tritur� ladrillo cer�mico hasta un tama�o inferior a 4 mm mediante machacadora de mand�bulas.

Posteriormente, se prepar� un precipitado siguiendo el m�todo descrito en la norma UNE-EN 14457-3. Para ello, se coloc� nuestra muestra de ladrillo triturado en un bote pl�stico de 1 de volumen, se a�adi� agua desionizada, en una concentraci�n L/S (l�quido s�lido) igual a 2 y se mantuvo agitando durante 24 horas.

Una vez transcurrido este tiempo, se deja decantar unos minutos y se procede a su filtrado al vac�o mediante filtro de 7-9 micras de di�metro de poro, para eliminar las part�culas no disueltas.

Se toma una muestra del material obtenido (de aqu� en adelante denominado �lixiviado�) y se filtra con ayuda de una jeringuilla, por un filtro de tama�o 0.45 micras de poro, para su incorporaci�n en el aparato que determinar� el contenido de cromo (apartado 5.4). El material restante es almacenado en frigor�fico a 5 �C hasta la realizaci�n del ensayo.

Imagen: Filtraci�n al vac�o

Elaborado: Carrillo William,2018

• �Filtrado

Una vez fabricadas las 6 columnas correspondientes a los 6 biofiltros descritos en el apartado 5.1, se procede a saturar el biofiltro con agua destilada.

Posteriormente, se vierte una cantidad total de 2 litros de lixiviado sobre dichas columnas, anotando el tiempo utilizado en el filtrado de esta cantidad y se extrae una muestra del agua filtrada, que ser� preparada, como en el caso anterior, para su posterior an�lisis.

La cantidad total de 2 litros a verter, proceden del c�lculo proporcional a los 80 litros utilizados en el filtro del anterior estudio, de 30 cm de di�metro.

Imagen: Biofiltro

Elaborado: Carrillo William,2018

 

De forma similar, se procede a repetir el proceso con el agua restante dos veces m�s, esto es, se trata de recircular un total de 2 litros en 3 ciclos de lavado-filtrado.

El c�lculo de porcentaje de reducci�n se realizar� mediante la siguiente formula siguiente (Sarango & S�nchez, 2016):

% Porcentaje de reducci�n = *100

 

• Determinaci�n del contenido en cromo

Las muestras tomadas tanto en el lixiviado, como en cada uno de los ciclos de cada una de las columnas son llevadas al SCAI (Servicio central de apoyo a la Investigaci�n) de la Universidad de C�rdoba, donde son analizadas mediante espectrofot�metro ICP-masas (Perkin Elmer NexionX), mediante un an�lisis cuantitativo.

 

• 6. Resultados y an�lisis

Los valores medios obtenidos en el ensayo cuantitativo se muestran, junto con los tiempos utilizados en el filtrado de cada uno de los ciclos.

		Contenido Cr (ppb)	Contenido Cr (mg/l)	Tiempo filtrado (min)
Lixiviado		925.53	0.463	-
Sin compactar	1 ciclo	899.45	0.450	14.50
	2 ciclos	886.25	0.443	13.33
	3 ciclos	881.59	0.441	12.75
4 golpes	1 ciclo	867.55	0.434	18.00
	2 ciclos	845.43	0.423	16.33
	3 ciclos	832.90	0.416	13.77
8 golpes	1 ciclo	806.10	0.403	25.33
	2 ciclos	796.00	0.398	20.67
	3 ciclos	779.41	0.390	18.17
12 golpes	1 ciclo	798.89	0.399	18.00
	2 ciclos	783.51	0.392	20.00
	3 ciclos	750.14	0.375	23.00
16 golpes	1 ciclo	808.53	0.404	25.20
	2 ciclos	793.13	0.397	30.23
	3 ciclos	781.62	0.391	25.20
20 golpes	1 ciclo	798.29	0.399	20.80
	2 ciclos	800.71	0.400	30.25
	3 ciclos	781.21	0.391	22.37

Tabla: Resultados del an�lisis cuantitativo

Elaborado: Carrillo William,2018

 

En todos los casos, los valores medios de Cr obtenidos tras el filtrado son inferiores , por el Texto unificado legislaci�n secundaria, medio ambiente del Ecuador (TULSMA), para su descarga en el alcantarillado p�blico (aunque el valor de partida ya lo cumpl�a inicialmente).

En cuanto a la compactaci�n del biorrollo, �se observa un descenso del contenido de cromo conforme aumenta el n�mero de golpes y el n�mero de ciclos. Sin embargo, a partir de una densidad de biorrollo conseguida con 12 golpes, los valores medios obtenidos se mantienen pr�cticamente similares.

 

 

 

 

En cuanto al tiempo de contacto, se observa menos tiempo de contacto conforme aumenta el n�mero de ciclos. Esto puede deberse a en el primer paso queda retenido los s�lidos en suspensi�n por lo cual en el segundo paso disminuye el paso del biofiltro.

Por otro lado, se observa una tendencia clara del tiempo total de contacto (tiempo utilizado en el filtrado durante los tres ciclos completos) de forma ascendente conforme aumenta el n�mero de golpes, es decir, conforme aumenta la densidad. Por tanto, se puede afirmar que conforme aumenta la masa de biofiltro (e indirectamente, el contenido de lignina) aumenta el tiempo total de contacto del lixiviado con el biofiltro.

Imagen: Tiempo total de contacto lixiviado-biofiltro

Elaborado: Carrillo William,2018

 

Sin embargo, un mayor tiempo de contacto no tuvo como consecuencia un mayor filtrado del i�n Cr. Se observa que los biofiltros construidos con 16 y 20 golpes presentaron un filtrado similar al obtenido con 8 golpes, e inferiores al elaborado con 12 golpes. Esto puede ser debido a que, con alta compactaci�n, no se produzca un correcto funcionamiento como filtro de todas las part�culas del biorrollo al presentarse, por ejemplo, circuitos diferenciales.

 

 

 

Imagen: Valores medios de Cr eliminados en el filtrado frente al tiempo total en contacto

Elaborado: Carrillo William,2018

 

Si comparamos los resultados obtenidos con aquellos de mi Trabajo Fin de Grado de El Ecuador, se observa que el dato de partida fue bastante superior en este �ltimo (1.23 mg de Cr⁺⁶/l), donde el agua residual tomada fue directamente de una empresa de curtiembre. En la investigaci�n presente se parte, de un valor inicial de 0.925 mg/l, correspondiente al obtenido en el lixiviado de part�culas cer�micas.

 

 

 

 

 

 

 

Muestra	Cr+6 (mg/l)
M1	1.23
M2	1.2
M3	1.3
A1	0.1
A2	0.61
A3	0.52
B1	0.72
B2	0.84
B3	0.56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla: Datos Del Trabajo Final De Grado

Elaborado: Carrillo William, 2017

 

Descripci�n

M1: Muestra de la curtiembre antes de tratamiento

M2: Muestra de la curtiembre antes del tratamiento segunda toma

M3: Muestra de la curtiembre antes del tratamiento tercera toma

A1: Tratamiento con cabuya tipo aserr�n

A2: Tratamiento con cabuya tipo aserr�n

A3: Tratamiento con cabuya tipo aserr�n

B1: Tratamiento con cabuya longitud de 0,10 m

B2: Tratamiento con cabuya longitud de 0,10 m

B3: Tratamiento con cabuya longitud de 0,10 m

 

El componente principal del biofiltro anterior era la cabuya (Furcraea andina) con un porcentaje de lignina de 20%. Sin embargo, a pesar de que el biorrollo de coco del actual estudio tiene un porcentaje superior de �sta (29.3%), en los resultados finales obtuvo menor reducci�n de Cr (aproximadamente el 18%, frente al 50% de reducci�n en el estudio anterior).

Si representamos la eficiencia de la lignina (expresado en porcentaje de reducci�n de Cr) , se observa una buena correlaci�n (valor de R² cercano a la unidad) entre el contenido total de lignina, expresado en gramos, y la cantidad total de Cr eliminado (en el total de los 3 ciclos de lavado).

 

Imagen: Eficiencia de la lignina en la reducci�n de Cr

Elaborado: Carrillo William,2018

 

De esta forma, se podr�a interpolar y obtener el contenido de lignina necesario, y como consecuencia, la cantidad de biorrollo, a partir del porcentaje de cromo que debe reducir. Una vez conocido la cantidad de biorrollo necesario, habr�a que probar las diferentes combinaciones de aumentar la masa total de �ste: aumentar la densidad, aumentar el volumen�etc.

 

�Conclusiones

• El lixiviado de las cer�micas conten�a un valor alto en cromo, los biorrollos estudiados, com�nmente comercializados en Espa�a, la fibra de coco es que el present� mayor contenido de lignina.
• Se construyeron, por tanto, varios filtros duales con biorrollo de coco con diferentes densidades como medios filtrantes, se utiliz� arena, piedra p�mez y carb�n activo para mejorar la retenci�n del metal, se realiz� una mayor compactaci�n (mayor n�mero de golpes), se observ� una mayor reducci�n del contenido de Cr. Sin embargo, a partir de los 12 golpes (0,01 J/cm³.golpe) el contenido de �ste permanece casi constante.
• los contenidos de cromo presentaron valores inferiores a los establecidos por el TULSMA para su vertido en alcantarillado. La calidad del agua inicial del lixiviado mejor� notablemente despu�s de ser tratada en los biofiltros, en los que se redujo la cantidad de �hasta un 18 ,9 % para el mejor tratamiento que es el que tiene 12 golpes.

La cantidad de Cromo a reducir mediante este sistema de filtrado, puede calcularse el contenido �ptimo de lignina que debe contener el biofiltro, y como consecuencia, la masa total de �ste, mediante la expresi�n: y = 0,1383x - 0,2044 (siendo �x� el contenido de lignina e �y� el porcentaje final que debe reducirse para cumplir con la normativa competente.

 

Referencias

1.     Altafin, I. (2020) �Innovaciones en el desarrollo e implementaci�n de humedales construidos para el tratamiento de aguas residuales dom�sticas en Latinoam�rica y El Caribe�, Banco Interamericano de Desarrollo, pp. 6�11. doi: doi.org/10.18235/0002341.

2.     �lvarez-V�zquez, M. and U�a-�lvarez, E. de (2019) �Perspectivas del agua : investigaci�n, gesti�n y valores del agua en el mundo actual�, Torrossa. doi: doi.org/10.2307/j.ctv102bkpf.

3.     Arze, C. et al. (2010) �Contaminaci�n del agua�, 4 (2). Available at: https://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/8146%0Ahttp://biblioteca.ribei.org/299/.

4.     Barraqu�, B. (2003) �Las pol�ticas del agua en Europa a partir de la directiva marco del agua�, Ingenier�a del agua, 10(3), p. 281. doi: 10.4995/ia.2003.2586.

5.     Bhattacharya, T., Tuck, N. and Chakraborty, S. (2012) �An�lisis fisicoqu�mico de la calidad de las aguas subterr�neas del distrito de Anand�, Int. ISCA Res. J. Medio Ambiente. Ciencia , 1 (1), 33., 1(1), p. 33.

6.     Blanco, L. and Mu�oz, R. (1991) �Pulpeo de Cbuya (Furcaea cabuya)�, Editorial de la Universidad de Costa Rica. doi: 10.15517/ring.v1i1.7566.

7.     Caballero, M. (1990) El bosque como sistema de producci�n de agua. Simponsio Nacional sobre el Agua, en el Manejo Forestal (Chapingo, M�xico). Universidad Aut�noma de Chapingo.

8.     Carrillo, W. (2017) Determinar la reducci�n de concentraci�n de cr+6 en muestras de agua de la curtiembre el nuevo mundo en la ciudad de Ambato utilizando la cabuya como biofiltro a diferentes longitudes. Escuela Superior Polit�cnica De Chimborazo. Riobamba- Ecuador.

9.     Castro, B. (2015) Uso de la c�scara de banano (musa paradisiaca) maduro deshidratada (seca) como proceso de bioadsorci�n para la retenci�n de metales pesados, plomo y cromo en aguas contaminadas. Universidad de Guayaquil. Guayaquil - Ecuador.

10.  Chac�n, M. (2016) An�lisis f�sico y qu�mico de la calidad del agua. USTA, ediciones USTA. USTA. Edited by U. S. Tom�s. Bogot�, Colombia: Xpress Estudio Gr�fico y Digital. Available at: https://repository.usta.edu.co/bitstream/handle/11634/11511/Paginaspreliminares.2016Chaconmyriam.pdf?sequence=4&isAllowed=y.

11.  Climate, C. C. (2017) �Pr�cticas de conservaci�n agr�cola para la reducci�n de riesgos clim�ticos Leyenda : Calidad y disponibilidad del agua Energ�a Pesca y vida silvestre�. doi: 10.32747/2017.6949549.ch.

12.  Correa, O., Fuentes, F. and Coral, R. (2021) �Contaminaci�n Por Metales Pesados De La Microcuenca Agropecuaria Del R�o Huancaray� Per��, Revista de la Sociedad Qu�mica del Per�, 87(1), pp. 26�38. doi: 10.37761/rsqp.v87i1.320.

13.  Crisci, C. et al. (2021) �Monitoreo de calidad de agua y predicci�n de coliformes fecales en playas de Montevideo mediante algoritmos de aprendizaje autom�tico�, Innotec, 22(22), pp. 1�27. doi: 10.26461/22.07.

14.  Cuenca, M. et al. (2019) �Aguas residuales mineras en la inocuidad de la naranja cultivada a cercan�as del r�o amarillo�, mktDESCUBRE, pp. 31�41. doi: 10.36779/mktdescubre.v14.340.

15.  Delgado, H. and P�rez, W. (2010) �Filtros biol�gicos para la reducci�n de nutrientes de aguas grises�, IDEASS.

16.  Dominguez, A., Pesce, F. and Achkar, M. (2005) �LA DEFENSA DEL AGUA COMO RECURSO P�BLICO EN URUGUAY: EL CASO DE LA COMISI�N NACIONAL EN DEFENSA DEL AGUA Y LA VIDA Y EL PLEBISCITO POR EL AGUA�, pp. 37�50. doi: 10.36311/1519-0110.2005.v6n1/2.402.

17.  Duque-Sarango, P., Pati�o, D. and L�pez, X. (2019) �Evaluaci�n del Sistema de Modelamiento Hidrol�gico HEC-HMS para la Simulaci�n Hidrol�gica de una Microcuenca Andina Tropical�, Informaci�n tecnol�gica, 30(6), pp. 351�362. doi: 10.4067/s0718-07642019000600351.

18.  Escobar, J. (2002) La contaminaci�n de los r�os y sus efectos en las �reas costeras y el mar, Serie recursos naturales e infraestructura.

19.  FAO (1993) �Prevenci�n de la contaminaci�n del agua por la agricultura y actividades afines�, Informes sobre temas h�dricos.

20.  Garc�a, C. (2013) �Par�metros fisicoqu�micos del agua�, Pv Albeitar, p. 4.

21.  Gil-Mar�n, J., Vizcaino, C. and Monta�o-Mata, N. (2018) �Evaluaci�n de la calidad del agua superficial utilizando el �ndice de calidad del agua (ICA). Caso de estudio: Cuenca del R�o Guarapiche, Monagas, Venezuela�, Anales Cient�ficos, 79(1), p. 111. doi: 10.21704/ac.v79i1.1146.

22.  G�mez-Duarte, O. (2018) �Contaminaci�n del agua en pa�ses de bajos y medianos recursos, un problema de salud p�blica�, Revista Facultad de Medicina, 66(1), pp. 7�8. doi: 10.15446/revfacmed.v66n1.70775.

23.  Gualteros, L. and Chac�n, M. (2015) Estudio de la eficiencia de lechos filtrantes para la potabilizaci�n de agua proveniente de la quebrada la despensa en el municipio guaduas Cundinamarca vereda la Yerbabuena. Universidad La Salle, Bogota � Colombia.

24.  Higuera, O., Arroyave, J. and Flores, L. (2009) �Dise�o de un biofiltro para reducir el �ndice de contaminaci�n por cromo generado en las industrias del curtido de cueros�, Revista Scielo.

25.  Jara, P. (2018) �Efectos del cambio de la cobertura vegetal y del uso de la tierra sobre la cantidad y calidad de materia org�nica del suelo en Ecosistemas Alto-Andinos de Ecuador�, p. 450. doi: 10.14201/gredos.140319.

26.  Lacma, J., Iannacone, J. and Vera, G. (2007) �TOXICIDAD DEL CROMO EN SEDIMENTO USANDO Donax obesulus Reeve 1854 (PELECYPODA: DONACIDAE)�, Ecolog�a Aplicada, 6(1�2), p. 93. doi: 10.21704/rea.v6i1-2.345.

27.  Lobo, C. (2014) Tratamiento biol�gico de aguas residuales industriales. doi: 10.35537/10915/35493.

28.  Mara (1976) �Aguas Residuales y Tratamiento de Efluentes Cloacales Tratamiento de efluentes, caracterizaci�n, generalidades, definici�n y origen.�

29.  Mcjunkin, F. E. (1988) �F. Eugene McJunkin�, Agua y salud humana, II, p. 230.

30.  Mendoza, M. (1996) Impacto del uso de la tierra, en la calidad del agua de la microcuenca r�o S�balos.

31.  Merkel, W. (2003) �El futuro de la industria de agua en el mundo�, Ingenier�a del agua, 10(3), p. 337. doi: 10.4995/ia.2003.2589.

32.  OMS (2015) �AGUA�.

33.  Pab�n, S. et al. (2020) �Contaminaci�n del agua por metales pesados, m�todos de an�lisis y tecnolog�as de remoci�n. Una revisi�n 1 Water contamination by heavy metals, analysis methods and removal technologies. A review�, Entre Ciencia e Ingenier�a, 14(27), pp. 9�18. doi: 10.31908/19098367.1734.

34.  Pettygrove, S. and Asano, T. (1990) Manual Practico de Riego con Agua Residual Municipal Regenerada.

35.  Reynolds, K. (2002) �Tratamiento de aguas residuales en Latinoam�rica�.

36.  Roca, P., Oliver, J. and Rodr�guez, A. (2003) Bioqu�mica, t�cnicas y m�todos, Book of Chemical Information. doi: 10.1017/CBO9781107415324.004.

37.  Rodriguez, A., Marchese, M. and Ojea, N. (1933) Efecto del cromo en Eisenia fetida (Savigny, 1826)(Oligochaeta): toxicidad y bioacumulaci�n. doi: 10.14409/natura.v1i33.3791.

38.  Tejada, C. (2014) �Remoci�n de Pb (II), Ni (II) y Cr (VI) en soluciones acuosas usando matrices modificadas qu�micamente�, Revista Prospect, p. 20.

39.  UNECE, U. N. E. C. for E. (2022) �Preguntas frecuentes sobre el Convenio del Agua de 1992 junto con la hoja de ruta para facilitar los procesos de adhesi�n , pp 22-27�, UN-ilibrary. doi: 10.18356/9789210051286c006.

40.  Urquidi, V. (1997) �La futura escasez de agua y el incremento demogr�fico�, pp. 3�5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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