TRATAMIENTO FOTOOXIDATIVO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA EMPRESA DE PRODUCCIÓN DE POLIESTIRENO. Marali GERARDO y Gunther GEISSLER.

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1 TRATAMIENTO FOTOOXIDATIVO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA EMPRESA DE PRODUCCIÓN DE POLIESTIRENO Marali GERARDO y Gunther GEISSLER. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Posgrado en Ciencias Ambientales del Instituto de Ciencias Ciudad Universitaria Edificio 76 Planta Baja, C.P , Puebla, Pue. México, Tel. y Fax ext maraligerardocitalan@yahoo.com Palabras clave: agua, producción de poliestireno, agua residual, fotooxidación RESUMEN El agua se debe manejar como recurso natural que se administre necesariamente en forma cuidadosa ya que las reservas de agua dulce no son infinitas (1,2). En este escenario, un tratamiento de las aguas residuales en el que se logre una calidad suficiente para su reuso es una alternativa para disminuir la presión sobre las reservas naturales del agua (3,4). Por lo que, el desarrollo de tecnologías modernas y su utilización, es una necesidad indispensable para tal fin. En este trabajo se pretende investigar la operatividad de los Procesos Avanzados de Oxidación, específicamente, de fotooxidación para degradar los contaminantes de un agua residual proveniente de una planta de producción de poliestireno. Se pretende degradar fotooxidativamente contaminantes químico orgánicos, utilizando un reactor batch y un reactor de flujo. Se encontró que con valores de la DQO de 200 mg/l 400 mg/l las condiciones óptimas de operación en el Reactor Batch, (0.2 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, ozono e irradiada con UV durante 30 minutos), el valor de la DQO se redujo en un 80%. Con valores de la DQO arriba de 400 mg/l, bajo las mismas condiciones de fotooxidación, la DQO se reduce a un 50%, además, hay formación de espuma y la muestra cambia a color amarillo. Para reducir aun más la DQO, se aplicó un tratamiento fisicoquímico al agua antes de la fotooxidación. Se encontró que, para valores de la DQO mayores a 2000 mg/l se logra remover un 72% de los contaminantes presentes, con 330 minutos de irradiación. INTRODUCCIÓN A nivel mundial se le ha otorgado mayor atención al agua, sobre todo ante la gran problemática que enfrentan muchos países: la escasez y la contaminación del recurso, que es un riesgo para el desarrollo económico y social (5). Las actuales descargas de aguas residuales industriales producen un elevado riesgo ambiental, olores desagradables, contaminación de los ríos, lagos y mantos freáticos, sustancias tóxicas y un potencial de contaminación que permanece por varios años (5,6). Aunque en la naturaleza existen procesos de autopurificación de las aguas, no es suficiente confiar ciegamente en el poder regenerador de la naturaleza. Solo queda la alternativa de unir esfuerzos y luchar en todos los frentes contra la 1

2 arrolladora máquina de destrucción que amenaza a todas las formas de vida en el planeta. Uno de los procesos naturales de autopurificación es la oxidación por radicales OH generados por la luz UV (7,8), lo que se simula en los llamados Procesos Avanzados de Oxidación. Estos procesos son especialmente útiles como pretratamiento antes de un tratamiento biológico para contaminantes resistentes a la biodegradación o como proceso de postratamiento para efectuar un pulido de las aguas antes de la descarga a las cuerpos receptores (9,10). Su eficiencia es que poseen mayor factibilidad termodinámica y una velocidad de oxidación muy incrementada por la participación de radicales, principalmente el radical hidroxilo, OH, quien reacciona rápidamente con compuestos orgánicos (11). OBJETIVO Probar la operatividad del proceso fotoquímico para degradar los contaminantes en agua residual proveniente de una planta de producción de poliestireno. Si esto es posible, podría considerarse, como un objetivo futuro, utilizar membranas de filtración para reusar el agua. MATERIALES Y MÉTODOS Para el desarrollo de la investigación se emplearon diferentes muestras de agua residual proveniente de una planta de producción de poliestireno. El modelo experimental consta de los siguientes pasos: Caracterización de la muestra de agua que consiste en la determinación de la DQO, ph, conductividad, sólidos suspendidos y/ó turbiedad, para conocer los valores de referencia. Experimentos de fotooxidación en un reactor batch, Caracterización de la muestra de agua tratada para evaluar la remoción. Experimentos de fotooxidación en un reactor de flujo. Caracterización del agua tratada para evaluar la remoción y conocer la calidad final del agua. Los experimentos de fotooxidación se desarrollaron en un fotoreactor tipo batch con un volumen libre de 850 ml para la muestra, compuesto de una lámpara de vapor de mercurio de presión media modelo PUV-1022 de 100 mm de longitud, 1000 Watios, tensión de 145 Voltios y corriente de 7.5 Amperes. La lámpara se encuentra protegida por una cubierta de cuarzo. El sistema generador de radiación UV cuenta con un dispositivo de recirculación de agua desmineralizada para regular la temperatura en el mismo. La parte externa del reactor la constituye un recipiente cilíndrico de vidrio Pyrex, el cual tiene en la parte superior dos entradas esmeriladas 15/30 y en la parte inferior una oliva donde se introduce la corriente de aire al sistema. 2

3 El aire es proporcionado por un compresor Elite 801 a razón de 2000 ml/min lo que corresponde a la suministración de 400 ml/min de O 2. Para tratar volúmenes grandes de muestra se realizaron experimentos en un reactor de flujo en donde el agua se mantiene en recirculación. El equipo está compuesto de una lámpara de vapor de mercurio de presión media, 1500 Watios, protegida con una cubierta de cuarzo y una cámara de acero inoxidable, con un volumen libre de 4.5 L. La distancia entre el tubo de cuarzo y la pared de la cámara es de 1 cm y el volumen de flujo es de 0 a 10 gal/min. Para la inyección de ozono se utilizó un equipo marca HYDROZON K-40 que produce 40 mg de ozono por hora. Para la medición de ph y conductividad se utilizó un medidor portátil marca CONDUCTRONIC modelo PC-18. La determinación de la Demanda Química de Oxígeno y de la Turbiedad se hizo mediante un fotómetro marca MERCK, modelo SQ 118, aplicando los métodos de análisis del manual SPECTROQUANT. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Experimentos en el reactor batch. Experimento 1 Se determinó la DQO de la muestra, el valor fue de 275 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.2 ml de peróxido de hidrógeno al 50% al agua y se irradió con la lámpara de UV durante 30 min. Se determinó la DQO a la muestra de agua después del tratamiento fotooxidativo. El valor fue de 135 mg/l. Se observó que hubo una degradación de contaminantes presentes en el agua de un 50%. Se concluye que bajo las condiciones de operación es posible la degradación de contaminantes, pero aun es insuficiente. Experimento 2 Se determinó la DQO de la muestra, el valor fue de 275 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.02 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 30 min. Se determinó la DQO a la muestra de agua después del tratamiento fotooxidativo, el valor fue de 47 mg/l. La degradación de sustancias presentes en el agua residual fue de un 80%. Se concluye que se logra una mejor eficiencia por la adición de ozono. Experimento 3 El valor de la DQO de la muestra fue de 448 mg/l, porque en el agua residual había sólidos en suspensión, turbiedad y olor. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.02 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió con la lámpara de luz UV durante 30 min. Se observó que hubo cambios en el color de la muestra de agua mientras se llevaba a cabo el tratamiento fotooxidativo. Al finalizar el tratamiento, la muestra era de color amarillo. El valor de la DQO del agua después del experimento fue de 272 mg/l, 3

4 logrando disminuir un 50% de sustancias presentes en el agua residual, lo cual es notablemente menor que el resultado logrado en el experimento 2. Experimento 4 El valor de la DQO fue de 230 mg/l, porque en el agua había un olor ligero a estireno y sólidos en suspensión. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.1 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 60 min. Se observó que hubo cambios en el color de la muestra de agua mientras se llevaba a cabo el tratamiento fotooxidativo, pero al finalizar el experimento el color había desaparecido. Mientras se realizaba el experimento, se tomó una muestra de agua del reactor a los 30 minutos. El valor de la DQO determinado fue de 73 mg/l. El valor de la DQO después del tratamiento (60 minutos) fue de 30 mg/l. Se logró degradar los contaminantes presentes en un 89%, lo que es un resultado notablemente mejor que el del experimento 1. Se concluye que por las condiciones físicas de la muestra y las condiciones de operación es posible lograr una alta degradación de los contaminantes, aunque el tiempo de irradiación es mayor (60 minutos). Experimento 5 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 230 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.04 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 30 min. Se determinó la DQO a la muestra después del tratamiento fotooxidativo, la cual fue de 54 mg/l. Se observó que se logró degradar los contaminantes presentes en un 80%. Se concluye que agregando mayor cantidad de peróxido de hidrógeno es posible lograr una degradación de contaminantes- En el experimento 2 se logran los mismos resultados pero con una menor cantidad de peróxido de hidrógeno. Experimento 6 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 923 mg/l, porque había presencia de sólidos en suspensión, turbiedad y olor intenso a estireno. Se modificó el ph del agua de 6.24 a 7.14 antes del tratamiento fotooxidativo, se observó que hubo presencia de precipitados, disminuyendo la turbiedad y los sólidos en suspensión. Se filtró la muestra a través de papel filtro, se determinó la DQO de la muestra de agua con el ph modificado. El valor determinado fue de 465 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.02 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 75 min. Después del tratamiento fotooxidativo se midió el valor de la DQO, obteniéndose un valor de 163 mg/l. Se observó que se logró disminuir los contaminantes presentes en un 69%. Experimento 7 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 923 mg/l, porque había presencia de sólidos en suspensión, turbiedad y olor intenso a estireno. Se modificó el ph del agua de 6.24 a 852 antes del tratamiento fotooxidativo, se observó que hubo presencia de precipitados, disminuyendo la turbiedad y los sólidos en suspensión. Se filtró la muestra a través de papel filtro para eliminar el 4

5 precipitado. Se determinó la DQO de la muestra de agua con el ph modificado, el valor determinado fue de 401 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.02 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 75 min. Después del tratamiento fotooxidativo se midió el valor de la DQO, obteniéndose un valor de 153 mg/l. Se observó que se logró disminuir los contaminantes presentes en un 61%. Experimento 8 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 613 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch y se irradió durante 60 min. Al finalizar el tiempo de irradiación se midió el valor de la DQO, obteniéndose un valor de 378 mg/l. Se observó que la muestra de agua después de exponerse a la luz UV se tornó turbia y con un color amarillo. El valor de la DQO al final del experimento muestra que se logró disminuir en un 38% los contaminantes presentes. Experimento 9 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 613 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.02 ml de peróxido de hidrógeno al 50% y se irradió durante 60 min. Se determinó la DQO a la muestra después del tratamiento fotooxidativo, la cual fue de 378 mg/l. Se observó que se logró degradar los contaminantes presentes en un 38%. Se concluye que sin la presencia de ozono no se logra una degradación de contaminantes comparable con el resultado del experimento 2 en donde se aplicó la misma cantidad de peróxido de hidrógeno. Experimento 10 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 613 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.02 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 60 min. Se determinó la DQO a la muestra después del tratamiento fotooxidativo, la cual fue de 366 mg/l. Se observó que se logró degradar los contaminantes presentes en un 40%. Se concluye que a pesar de dosificar ozono así como el aumento del tiempo de la irradiación al doble, no se logra una degradación suficiente como la que se logra en el experimento 2, quizás sea por el valor tan alto de la DQO inicial. Experimento 11 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 613 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.1 ml de peróxido de hidrógeno al 50% y se irradió durante 60 min. Después del tratamiento se midió el valor de la DQO, obteniéndose un valor de 428 mg/l. Se observó que la muestra de agua se degradó en un 30%. En comparación con el experimento 9 no se logra una remoción de contaminantes a pesar de incrementar la cantidad de peróxido de hidrógeno. 5

6 Experimento 12 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 613 mg/l. Se modificó el ph del agua de 6.3 a 11 antes del tratamiento fotooxidativo, para disminuir los sólidos en suspensión, se observó que hubo presencia de precipitados, se filtró a través de papel filtro. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.02 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 90 min. Después del tratamiento fotooxidativo se midió el valor de la DQO, obteniéndose un valor de 233 mg/l. Se observó que se logró disminuir los contaminantes presentes en un 61%. Experimento 13 Se determinó la DQO de la muestra el cual fue de 613 mg/l. Se modificó el ph del agua de 6.3 a 9 antes del tratamiento fotooxidativo, para disminuir los sólidos en suspensión, se observó que hubo presencia de precipitados, se filtró a través de papel filtro. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.02 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 90 min. Después del tratamiento fotooxidativo se midió el valor de la DQO, obteniéndose un valor de 326 mg/l. Se observó que se logró disminuir los contaminantes presentes en un 46%, Esto se debe a la modificación de ph, que en el experimento 12 es ligeramente elevado. Experimentos en el reactor de flujo. Para realizar estos experimentos, es necesario tener un volumen de muestra de 60 L, como mínimo. El agua se mantiene en recirculación durante la fotooxidación. Experimento 14 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 230 mg/l, Se agregó 60 L de muestra al tanque de trabajo del reactor de flujo, se colocó el difusor de ozono en la succión de la bomba, se adicionó 2 ml de peróxido de hidrógeno al 50% y se irradió durante 60 min, manteniendo un flujo de recirculación de 6 gal/min. Después del tratamiento fotooxidativo se midió el valor de la DQO, obteniéndose un valor de 52 mg/l. Se observó que se logró disminuir los contaminantes presentes en un 77%. En este experimento se obtienen resultados semejantes a los obtenidos en el experimento 5. Experimento 15 Se determinó la DQO de la muestra la cual fue de 795 mg/l, porque el agua presentaba turbiedad, color (blanco) y olor intenso a estireno. Se agregó 60 L de muestra al tanque de trabajo del reactor de flujo, se adicionó 1 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 45 min, manteniendo un flujo de recirculación de 6 gal/min. Después del tratamiento fotooxidativo se midió el valor de la DQO, obteniéndose un valor de 557 mg/l. Se observó que durante el experimento hubo formación de espuma y cambio de color en la muestra, se logró disminuir los contaminantes presentes en un 29%. 6

7 De acuerdo a lo anterior es necesario que se mantenga estable el proceso de pretratamiento para que en los experimentos fotooxidativos se obtengan resultados homogéneos y se encuentren las condiciones óptimas de operación del reactor de flujo. Experimentos de tratabilidad. La constante variabilidad de los valores de la DQO antes de los experimentos fotooxidativos, indica que la operación del pretratamiento de las aguas residuales del proceso de producción de poliestireno es inadecuada. Para evaluar la necesidad de un pretratamiento de las aguas residuales, se hicieron pruebas de tratabilidad al influente de la planta de tratamiento de la empresa con la idea de buscar mejores condiciones de pretratamiento y condiciones adecuadas para las pruebas fotooxidativas. Los coagulantes y floculantes empleados para las pruebas fisicoquímicas fueron sulfato de aluminio al 10%, sulfato férrico al 10%, polímero catiónico al 0.1%, sudflock P-63, sudflock EX 948, bioflock A 01 al 0.1%, estos últimos son de SÜDCHEMIE. Para ajustar el ph de la muestra, se utilizaron soluciones de hidróxido de sodio al 10% y hidróxido de calcio al 10%. El orden seguido para las pruebas fisicoquímicas fue: 1) determinar la cantidad óptima de coagulante, 2) encontrar el ph adecuado y 3) encontrar la cantidad óptima de floculante. En las pruebas con sulfato férrico y polímero, hubo formación de flóculos finos. Por lo tanto hubo una precipitación lenta dejando el agua con cierta turbiedad. No se mejoraron las condiciones, a pesar de modificar el ph del agua. Con sulfato de aluminio no hubo formación de floculos; mucho menos modificando el ph del agua. Utilizando sudflock P-63 y sudflock EX 948, se observó un mejor comportamiento de las muestras logrando dos opciones de tratabilidad: Opción 1 Utilizando 100 ml de muestra, se modificó el ph de 2.3 a 9.54, se le agregó 300 ppm de sudflock P-63, con 0.5 ml de sudflock EX-948, se bajó el ph a 6.29 y por último se agregó 5 ppm de bioflock A-01. Se determinó la DQO de la muestra antes y después de la prueba de tratabilidad, obteniéndose valores de 3327 mg/l y 1464 mg/l respectivamente. Se observó que se logró eliminar los contaminantes presentes en un 55%. Opción 2 Utilizando 100 ml de muestra, se modificó el ph de 2.3 a 4.88 y se le agregó 250 ppm de sudflock P-67. Al agregar este producto se incrementó el valor de ph de la muestra a 8.04, por último se agregó 5 ppm de bioflock A-01. Se determinó la DQO de la muestra antes y después de la prueba de tratabilidad, obteniéndose valores de 3327 mg/l y 1245 mg/l respectivamente. Se observó que se logró eliminar los contaminantes presentes en un 62%. 7

8 Comparando las dos opciones, el mejor resultado de la DQO fue la opción dos, por lo que se preparó un volumen adecuado de muestra para realizar las pruebas de fotodegradación. Experimento 16 La DQO de la muestra después de la prueba de tratabilidad fue de 1412 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.01 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 390 minutos. Se midió la DQO de una muestra tomada a los 120 minutos de exposición a la luz UV. El valor obtenido fue de 1282 mg/l. Sin embargo, la muestra de agua tenía el mismo color que se observó en el experimento 8. Para disminuir el color se incrementó la exposición de la muestra con la luz UV. A los 390 minutos de irradiación de la muestra se logró eliminar el color y la DQO que fue de 690 mg/l. Experimento 17 La DQO de la muestra después de la prueba de tratabilidad fue de 1833 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.01 ml de peróxido de hidrógeno al 50% y se irradió durante 390 minutos. No se dosificó ozono. Después del tratamiento fotooxidativo la DQO fue de 1444 mg/l. En este experimento, comparado con el anterior, se observó una menor eficiencia de remoción cuando no se dosifica ozono, el color amarillo de la muestra aun persistía después del tratamiento fotooxidativo. Experimento 18 La DQO de la muestra después de la prueba de tratabilidad fue de 1270 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.02 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 120 min. Después del tratamiento fotooxidativo se midió el valor de la DQO, obteniéndose un valor de 960 mg/l. el color amarillo de la muestra aun persistía. En el experimento 18 comparado con el 16, después de dos horas de tratamiento fotooxidativo, se obtuvo una mejor remoción de contaminantes cuando se aumentó la cantidad de peróxido de hidrógeno. Experimento 19 La DQO de la muestra después de la prueba de tratabilidad fue de 2085 mg/l. Se agregó 850 ml de muestra al reactor batch, se adicionó 0.05 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, se inyectó ozono al agua y se irradió durante 330 minutos. Se midió la DQO de una muestra tomada a los 120 minutos de exposición a la luz UV. El valor obtenido fue de 2010 mg/l. Sin embargo, la muestra de agua tenía el mismo color que se observó en el experimento 8. A los 330 minutos de irradiación de la muestra se logró eliminar el color, de la misma manera la DQO fue de 580 mg/l. Logrando eliminar los contaminantes presentes en un 72%. En este experimento se evaluó el efecto de la cantidad de peróxido de hidrógeno sobre el proceso de la fotooxidación, aumentando la cantidad de peróxido de hidrógeno. Hubo una mayor remoción de contaminantes en un rango de tiempo de exposición de la luz UV menor, de 390 minutos a 330 minutos. 8

9 CONCLUSIONES 1. Se logra la degradación de los contaminantes químicos orgánicos presentes en el agua residual del proceso de producción de poliestireno cuando la DQO es menor a 200 mg/l. 2. Con valores de la DQO arriba de 400 mg/l disminuye la eficiencia del tratamiento fotooxidativo. 3. Se deben de mejorar las condiciones de operación del pretratamiento en la planta de producción de poliestireno. 4. La DQO de la muestra después de las pruebas de tratabilidad es todavía muy elevada para que los contaminantes presentes sean degradados completamente por fotooxidación. 5. Independientemente de las condiciones de la fotodegradación y del tiempo de irradiación se logra la degradación de los contaminantes. 6. Aumentando la dosis de peróxido se logra disminuir el tiempo de exposición de luz UV de la muestra. A pesar de este resultado, el tiempo sigue siendo elevado, lo que representa un elevado costo. 7. El mejor valor de la DQO logrado después de la fotodegradación todavía es elevado para que el método de fotodegradación sea efectivo y por consiguiente lograr la calidad requerida para la filtración por membranas. REFERENCIAS 1. Metcalf & Eddy, INC.; Ingeniería de aguas residuales Tratamiento, vertido y reutilización. Mc Graw-Hill Eckenfelder, W. Wesley Jr., Industrial Water Pollution Control. Mc Graw-Hill, tercera edición p Hahn, Hermann H. et al., Chemical Water and Wastewater Treatment. Springer p Fernando Hernández Aldana. Agosto Fotodegradación Oxidativa de Contaminantes Orgánicos en Aguas Residuales de una Industria Textil. Tesis maestría. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. 5. PNUMA GEO: América Latina y el Caribe. Perspectivas del Medio Ambiente Capítulo 2 Estado del medio ambiente en América Latina y el Caribe Kemmer, Frank N. et al.; Manual del agua Su naturaleza, tratamiento y aplicaciones. (Mc Callion, John: Nalco Chemical Company) Mc Graw-Hill tomo II p

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