TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA POR MEDIO DE UN REACTOR ELECTROQUÍMICO CONTINUO

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1 TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA POR MEDIO DE UN REACTOR ELECTROQUÍMICO CONTINUO Angel Martinez G., Marco A. Rodriguez P, Luis E. Pacheco T., Miriam G. Rodríguez R y Sergio A. Martinez D. Universidad Autonóma Metropolitana - Azcapotzalco. Dpto. Energía, Av. San Pablo No. 180 Col. Reynosa Tamps, C.P México, D.F. e- mail: samd@hp9000a1.uam.mx y Fax : RESUMEN En la UAM-A se han realizado investigaciones donde se ha aplicado el tratamiento electroquímico, una tecnología no convencional, para tratar aguas residuales domésticas. Se utilizó un reactor continuo de 12 L, de electrodos de acero al carbón y se aplicó una corriente directa de 5 A. Se encontró que el proceso de remoción sigue una cinética de primera orden y el reactor continuo opera como reactor de flujo pistón. Se encontró que mediante este tratamiento la demanda química de oxígeno (DQO) se puede reducir hasta en un 80% (de 400 a 75 mg/l), con un tiempo de hidráulico de 15 minutos. El consumo de energía es de 1.5 a 2.0 kwh/m 3 de agua tratada. Con la finalidad de mejorar la calidad del agua tratada, se le adicionó un polímero catiónico y se realizaron pruebas de jarras, logrando reducir la DQO hasta 30 mg/l, alcanzando con ambos tratamientos una remoción total 92.5 %. INTRODUCCIÓN En la actualidad se generan una gran cantidad de aguas residuales provenientes de zonas domesticas e industriales, las cuales deben ser tratadas, para su disposición y/o reciclaje, mediante tecnologías más económicas y efectivas. Una reciente alternativa para solucionar esta problemática es el tratamiento electroquímico 1, 2, 3, y 4, el cual comparado con los métodos convencionales 5 no requiere de grandes áreas para su construcción, no necesita de pretratamiento químico para romper las emulsiones de aceite, no genera grandes cantidades de lodos, sus tiempos de retención son pequeños por lo que los costos son menores que en otros tratamientos y no necesita de mano de obra especializada para su operación 1, 2 y 3. El tratamiento electroquímico consiste en hacer pasar una corriente directa a través de electrodos sumergidos en el agua residual, los cuales pueden ser de aluminio, cobre o hierro, dependiendo del agua a tratar. En este trabajo se utilizó un ánodo de hierro, el cual se desgasta liberando iones ferrosos (Fe 2+ ) al

2 agua, de esta manera desestabiliza los coloides permitiendo la remoción de la materia suspendida y coloidal del agua residual. Los iones Fe 2+ reaccionan con los sulfuros y sulfatos formando compuestos insolubles que son eliminados del agua residual por el efecto de las pequeñas burbujas de hidrogeno y oxigeno producidas durante la hidrólisis del agua, las cuales tiene un tamaño promedio de 100 micrómetros, estas se adhieren a las partículas suspendidas y las arrastran hacia la superficie del volumen de control, formando una espuma que es removida por medios mecánicos; este proceso es conocido como electroflotación 2 y 3. El presente trabajo, muestra los resultados experimentales realizados para evaluar la eficiencia de remoción de contaminantes, expresados como DQO, de aguas domésticas, mediante el tratamiento electroquímico en un reactor continuo. MATERIALES Y MÉTODOS Se realizaron pruebas con las aguas residuales domésticas de la planta de "El Rosario", muestreadas in situ, en un reactor de 12 litros de capacidad. El reactor contiene dos electrodos, uno es de acero inoxidable (cátodo) y el otro es de hierro (ánodo), respectivamente. El electrodo de hierro consiste de 19 barras paralelas separadas 2.5 cm y con una superficie de cm 2 ; el ánodo de acero inoxidable, consiste de una placa ubicada en la base del reactor de 63 cm x 34 cm, con un área de 2142 cm 2. La separación entre electrodos de 0.5 cm, éstos se conectaron a una fuente de corriente directa variable. Se realizaron pruebas aplicando una corriente de 5 A y un voltaje aproximado de 10 volts, dependiendo de las condiciones de conductividad y ph del agua a tratar. Para las pruebas por lote, se adicionó el agua doméstica al reactor hasta un volumen de 12 L. Se conectaron los electrodos a la fuente de corriente y se tomaron muestras a diferentes intervalos de tiempo. A las muestras se les determinó la DQO mediante el método titulométrico de reflujo cerrado 6. Para las pruebas en continuo, se alimentó el agua residual al reactor mediante una bomba peristáltica, con la que se ajustó el caudal a 800 cm 3 /L, para manejar un tiempo hidráulico de 15 minutos. En este caso se tomaron muestras para análisis de DQO, desde el inicio de la prueba hasta alcanzar el estado estacionario (tiempo mayor a tres tiempos hidráulicos). Para las pruebas de jarras se utilizó el agua residual tratada mediante el proceso electroquímico y se utilizó un polímero catiónico de alto peso molecular. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 1, muestra la variación de la DQO residual en función del tiempo para el reactor por lote, con una corriente de 5 A. Se observa que al aumentar el tiempo, incrementa la remoción de contaminantes lo cual se debe a los procesos de electrocoagulación y electroflotación. La coagulación se debe a que durante el paso de corriente, se liberan del ánodo iones ferroso (Fe 2+ ), los cuales neutralizan la carga de las partículas suspendidas y coloidales, mismas que son arrastradas hacia la superficie por las burbujas de hidrógeno,

3 liberadas del cátodo, removiéndolas del agua residual. Se observa que la DQO se reduce hasta valores menores a 50 mg/l en 30 minutos. DQO residual (mg/l) Datos experimentales Modelo de 1a orden tiempo (min) Figura 1.- Variación de la DQO residual en función del tiempo en el reactor electroquímico por lote. Datos experimentales y modelo de 1ª orden. La figura 2, muestra el modelo de primera orden, el cual se ajusta a los datos experimentales obtenidos. La constante de velocidad (k), tiene un valor de min Ln (C/Co) Experimental Modelo 1a orden tiempo (min) Figura 2.- Ajuste de los datos experimentales al modelo de cinética de primera orden. En la figura 1, se muestra el modelo obtenido, el cual describe, de manera muy cercana, el comportamiento del proceso experimental. Con la finalidad de validar el modelo propuesto, se realizó una prueba en un reactor continuo el cual, debido a sus características, se puede considerar que es de Flujo Pistón, ya que la dispersión es mínima. La figura 3, muestra el comportamiento del proceso

4 durante la prueba en el reactor continuo, el cual trabajó con un tiempo hidráulico (Th) de 15 minutos. DQO residual (mg/l) Figura 3.- Datos experimentales de la DQO residual en el reactor continuo de Flujo Pistón, con un tiempo hidráulico de 15 minutos, en función de la relación tiempo de operación-tiempo hidráulico (t/th). Se observa que el sistema alcanza el estado estacionario después de 60 minutos (t/th=4). Con base en los resultados anteriores, es posible predecir el comportamiento del reactor conociendo la concentración inicial de DQO (agua residual sin tratamiento) es decir, experimentalmente se obtiene que para 15 minutos de tiempo de residencia y un reactor de flujo pistón con una DQO inicial de 400 mg/l, se alcanza una DQO del agua tratada de 80 mg/l, mientras que la DQO del agua tratada, calculada con el modelo propuesto, es de 84 mg/l, una diferencia el 5%, valor que entra dentro del intervalo del error de medición. Con la finalidad de mejorar el agua tratada mediante el proceso electroquímico, se realizaron pruebas de jarras con un polímero catiónico. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1. Se observa que la dosis óptima de polímero es de 2.0 mg/l ya que la concentración de DQO se redujo hasta 30 mg/l es decir, un 60% de remoción con respecto a la concentración de DQO obtenida después del tratamiento electroquímico, alcanzando con ambos tratamientos una remoción total 92.5 %. Tabla 1.- Resultado de la prueba de jarras con el agua tratada mediante el proceso electroquímico (DQO inicial = 75 (mg/l),con un polímero catiónico de alto peso molecular. Concentración del polímero (mg/l) Datos experimentales en el reactor continuo t/th DQO Final (mg/l) % de remoción

5 El consumo de energía para el proceso electroquímico está entre 1.5 a 2.0 kwh/m 3 de agua residual tratada, debido a la conductividad del agua residual es variable, ya que depende de la hora, estación, entre otras. La cantidad de lodos generados durante el tratamiento electroquímico es aproximadamente del 10% en volumen es decir, 100 ml /L de agua tratada. CONCLUSIONES La remoción de DQO de aguas residuales domésticas mediante tratamiento electroquímico sigue una cinética de primera orden, con una constante de velocidad de min -1. El reactor electroquímico tiene un comportamiento de Flujo Pistón, y el modelo obtenido de los datos experimentales describe el desarrollo del proceso, de tal manera que es posible conocer la concentración de DQO del agua tratada en función del tiempo, para este tipo de reactor. Es posible mejorar la calidad del agua tratada mediante el proceso electroquímico, mediante la adición de un polímero catiónico. La remoción de DQO del agua residual doméstica puede llegar hasta un 92 % mediante el tratamiento electroquímico y la adición del polímero catiónico. El consumo de energía para el proceso electroquímico está entre 1.5 a 2.0 kwh/m 3 de agua residual tratada y la cantidad de lodos generados durante el tratamiento electroquímico es aproximadamente del 10% en volumen. Mediante el tratamiento electroquímico se obtienen aguas residuales que por su calidad pueden ser utilizadas para riego agrícola de acuerdo con las normas ambientales mexicanas. BIBLIOGRAFÍA 1.-Pletcher D. et al. (1993). Industrial Electroichemistry. Ed. BlackieAcademic and Professional London England, pp Martinez,D.(1990). Tratamiento electrolitico de efluentes industriales. Rev Ins Mex. Petrol. Volumen XXII. Num 3, pp Martinez,D.(1990). Tratamiento electrolitico de efluentes. Rev Ins Mex. Petrol. Volumen XXII. Num 2, pp Cenkin,V. (1985). Electrochemical treatment of industrial wastewater. Rev. Effluent and Water Treatement Journal, pp Ramalho R. (1991). Tratamiento de aguas residuales. Reverte, Barcelona.

6 6.- APHA, AWWA y WPCF. (1985)Standard Methods for the Examinacion of Water and Wastewater 16 th ed.. Washington D.C.