UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVAFACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS AMBIENTALES

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

“DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES PROCEDENTES DE LAS MINERAS INFORMALES DE LA PROVINCIA DE LEONCIO PRADO

MEDIANTE HUMEDALES ARTIFICIALES TIPO S.A.S.L.”

Investigador responsable:

Dr. Manuel Ñique Alvarez

Investigador corresponsable:

Ing. José Luis Paredes Salazar

Colaboradores: Cerna Cueva Franco.

Egoavil Calero Juana Irma

Briceño Espinal Miguel

Lugar de Ejecución: Laboratorio de Tratamiento de aguas residuales II Universidad Nacional Agraria de la Selva

Duración del trabajo: 18 meses

Tingo María – Perú

2014

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I. DATOS GENERALES

I.1. Título del proyecto

“DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES

PROCEDENTES DE LAS MINERAS INFORMALES DE LA PROVINCIA

DE LEONCIO PRADO MEDIANTE HUMEDALES ARTIFICIALES TIPO

S.A.S.L.”

I.2. Investigador responsable

Dr. Manuel Ñique Alvarez

Universidad Nacional Agraria de la Selva

Facultad de Recursos Naturales Renovables

Departamento Académico de Ciencias Ambientales

I.3. Investigador corresponsable

Ing. Jose Luis Paredes Salazar

Universidad Nacional Agraria de la Selva

Facultad de Recursos Naturales Renovables

Departamento Académico de Ciencias Ambientales

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I.4. Colaboradores

CERNA CUEVA, Franco Alberto

Estudiante de ingeniería Ambiental

EGOAVIL CALERO, Juana Irma

Estudiante de ingeniería Ambiental

BRICEÑO ESPINAL, Miguel

Estudiante de ingeniería Ambiental

I.5. Responsabilidad de cada uno de los investigadores

Cuadro 1. Funciones y tiempo de permanencia en el proyecto

I.6. Línea de investigación.

Ciencias Ambientales, Biodiversidad y Biotecnología.

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I.7. Duración del proyecto

18 meses

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II. ASPECTO CONCEPTUAL

II.1. Planteamiento del Problema

II.1.1. Definición del problema

La capacidad de bioadsorcion de los vegetales como son Eichornia

Crassipes y Lemmna Minor con los metales pesados, podría ser utilizada en

plantas de tratamiento de aguas residuales mineras, siempre y cuando se

tenga las concentraciones óptimas a tratar y los parámetros condicionantes

favorables

Por consiguiente se plantea la interrogante ¿En qué medida se

depurarán las aguas residuales mineras por acción de Eichornia Crassipes y

Lemnna Minor por medio de humedales artificiales?

II.1.2. Formulación y sistematización del problema de investigación

El desarrollo sostenible como principio fundamental busca la

aplicación de tratamientos de descontaminación ambiental, metodologías

amigables con el ambiente dentro de las cuales se encuentran las técnicas de

biotecnología y fitorremediacion, el cual en los protocolos de buenas

costumbres en el trabajo (G.M.P. por sus siglas en inglés), buscan restaurar el

ambiente a un punto similar a cuando se presentó el incidente de

contaminación y además las técnicas biotecnológicas según el programa 21

(Río de Janeiro,1992) y los Principios de la Declaración del Milenio

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(Johannesburgo, 2002), deben ser accesibles a todos los pueblos sin

excepción. Por lo tanto la determinación de la medida de la eficiencia y

condiciones necesarias para la depuración de aguas residuales mineras con

Eichornia Crasipes y Lemnna Minor, se incluye en el paradigma actual del

desarrollo sostenible, con énfasis en sus aspectos ambiental, económico y

social.

II.2. Objetivos

II.2.1. General

Diseñar un humedal artificial utilizando las especies Lemna Minor (Lentejas

de agua) y Eichhorna Crassipes (Jacinto de agua) para depurar aguas

residuales mineras que contaminan alrededor de la ciudad de Tingo María.

II.2.2. Específicos

- Determinar la capacidad máxima de bioacumulacion de cada especie

con cada metal

- Determinar los parámetros cinéticos de adsorción de cada especie a

trabajar

- Determinar las concentraciones de metales pesados optimas

individual, como en conjunto para el tratamiento de aguas en

humedales

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- Determinar el pH en la que ocurre la máxima bioacumulación

II.3. Justificación

En nuestro país actualmente la explotación de minerales se ha ido

incrementando tanto la minería a mayor escala como la de producción

artesanal que es la que más daño causa a nuestro ambiente debido a la falta

de control, por lo que en los últimos años se ha acentuado la contaminación de

los cuerpos de agua, por el manejo inadecuado de las aguas residuales

procedentes de esta actividad, especialmente en varios sectores del país.

Las tecnologías convencionales que han sido investigadas y

utilizadas en los países desarrollados, pueden ser muy eficientes pero

generalmente los costos son muy altos, tanto de construcción como de

operación, por lo cual se hace necesario desarrollar nuevos sistemas, que

sean factibles económicamente y para mejorar la salud de la población y del

medio ambiente.

Si bien es cierto que los estudios demuestran que existen

vegetales que remueven metales pesados, estos estudios no son suficientes si

se quisiera usar a estos vegetales en el tratamiento de aguas residuales de

actividades mineras. Para poder utilizar las plantas en estos tratamientos es

necesario realizar estudios sobre la cinética de remoción de metales, las

concentraciones optimas de metales en el agua, en las que las plantas a

utilizar puedan remover los contaminantes, ya que a elevadas concentraciones

los efectos tóxicos de estos metales, causan la muerte temprana, dejándolas

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sin capacidad de remoción, y es mas estando muertas devuelven al ambiente

los metales que absorbieron; también será importante determinar la capacidad

máxima de bioacumulación, ya que una vez alcanzada la planta ya no

absorberá mas; es importante también determinar las condiciones necesarias,

como pH, temperatura, y entre otros, que optimicen la absorción de la plantas.

Cabe mencionar que la Universidad Nacional Agraria de la Selva,

cuenta con profesionales altamente capacitados para la realización de este

trabajo y con la colaboración de estudiantes de últimos ciclos aptos para la

intervención en todas las etapas de la investigación. Con la elaboración de este

proyecto se podrá determinar las bases necesarias para el diseño de un

humedal artificial para ser usado en una futuras plantas de tratamiento de

aguas residuales de pequeñas mineras de los alrededores de la ciudad de

Tingo María y que de esta manera se garantice la eliminación de

contaminantes presentes en el agua residual, evitando la exposición y sus

consecuentes efectos tóxicos por metales pesados. Razón por la cual surge la

necesidad de realizar el estudio sobre Eichornia crassipes y Lemnna minor;

para el diseño de un humedal artificial y posterior depuración de aguas

residuales mineras, la ejecución experimental se llevará a cabo en el área de

Biotecnología Ambiental del laboratorio de Análisis y Calidad de Aguas de la

Facultad de Recursos Naturales Renovables, especialidad de Ingeniería

Ambiental- Universidad Nacional Agraria de la Selva.

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II.4. Marco Teórico-Conceptual

2.4.1. Antecedentes de la investigación.

La utilización de microorganismos para la depuración de aguas

residuales ha sido utilizada en muchos países de Europa y América, países

como España en donde este tipo de investigaciones ha llegado a tener un

avance considerable, como los realizados por BEZANILLA (1993);

HERNÁNDEZ (1996) y GIL (2009), los cuales aportan conocimientos nuevos

para esta tecnología, describiendo los aspectos físicos, químicos, biológicos y

desarrollo de los microorganismos. Otro de los países que ha conseguido un

nivel de investigación reconocido es México, gracias a sus centros de

investigación, aportes de CASTILLO et al. (2011), TORRESCANO (2009) y

CARDOSO et al. (2000), contribuyen a la ciencia.

Shilo citado por CORTADA (2003), El tratamiento de aguas

residuales industriales mediante procesos biológicos convencionales necesita,

a menudo algunos ajustes del efluente para un tratamiento exitoso (en cuanto a

temperatura, pH, salinidad, potencial redox, etcétera). Sin embargo, el uso de

microorganismos modificados genéticamente obtenidos, a partir de condiciones

ambientales extremas (aguas hipersalinas, lagos alcalinos, aguas ácidas,

etcétera), permite la degradación de estos más fácilmente.

Según RITTMANN citado por CORTADA (2003), La aplicación de

esta tecnología en sistemas de tratamiento de aguas residuales incluye dos

pasos fundamentales: encontrar un microorganismo que posea la función

deseada y transferir esta función a un hospedero adecuado, preferiblemente

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una cepa que se desarrolle muy bien en condiciones ambientales

determinadas.

La utilización de microorganismos modificados genéticamente en

el tratamiento de aguas residuales domésticas, no ha sido estudiada con tanta

importancia en el ámbito nacional, como los estudios realizados en

biorremediación (metodologías para eliminar el contaminante presente en el

cuerpo receptor).

2.4.2. Bases teóricas

2.4.2.1. Remoción de metales pesados por humedales artificiales

El fundamento de este tipo de tratamiento consiste en que los

compuestos presentes en el agua son adsorbidos por las raíces de las

plantas e incorporados dentro de la estructura de las mismas, logrando

remover los metales de la corriente de agua y favoreciendo la restauración

de la calidad de la misma (Olguín et al. 1994). La cinética de adsorción de los

metales se ve fuertemente influenciada por el pH del agua, la concentración

inicial, la capacidad máxima de bioacumulación o bioabsorción de la planta,

temperatura, caudal entre otros (Leela et al. 2010)

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a) Tipos de fitorremediación

En los últimos años se ha generado una terminología nueva

basada en el papel que tienen las plantas durante el proceso de remediación,

así como de los principales mecanismos involucrados, de forma que se han

definido las siguientes estrategias de fitorremediación:

Tipo Proceso Involucrado Contaminación tratada

Fitoextracción

Las plantas se usan para

concentrar metales en las partes

cosechables (hojas y raíces)

Cadmio, cobalto, cromo, níquel,

mercurio, plomo, plomo selenio,

zinc

Rizofiltración

Las raíces de las plantas se usan

para absorber, precipitar y

concentrar metales pesados a

partir de efluentes líquidos

contaminados y degradar

compuestos orgánicos

Cadmio, cobalto, cromo, níquel,

mercurio, plomo, selenio, zinc

isótopos radioactivos, compuestos

fenólicos

Fitoestabilización

Las plantas tolerantes a metales se

usan para reducir la movilidad de

los mismos y evitar el pasaje a

napas subterráneas o al aire.

Lagunas de desecho de

yacimientos mineros. Propuesto

para fenólicos y compuestos

clorados.

Fitoestimulación

Se usan los exudados radiculares

para promover el desarrollo de

microorganismos degradativos

(bacterias y hongos)

Hidrocarburos derivados del

petróleo y poliaromáticos, benceno,

tolueno, atrazina, etc.

Fitovolatilización

Las plantas captan y modifican

metales pesados o compuestos

orgánicos y los liberan a la

atmósfera con la transpiración.

Mercurio, selenio y solventes

clorados (tetraclorometano y

triclorometano)

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Fitodegradación

Las plantas acuáticas y terrestres

captan, almacenan y degradan

compuestos orgánicos para dar

subproductos menos tóxicos o no

tóxicos.

Municiones (TNT, DNT, RDX,

nitrobenceno, nitrotolueno),

atrazina, solventes clorados, DDT,

pesticidas fosfatados, fenoles y

nitrilos, etc.

b) Mecanismos de tolerancia a metales pesados

Los mecanismos de tolerancia que han desarrollado las plantas

para resistir y sobrevivir a la exposición a metales pesados involucran

estrategias de exclusión, mineralización, reducción, solubilización, quelación,

redistribución y acumulación. (Lytle, et al 1998).

c) Configuraciones de reactor

En los reactores frecuentemente, predominan las leyes de

conservación de masas y energía. Para el tratamiento de aguas es de especial

interés las leyes de conservación de la masa, la que establece que la suma de

los masas de entrada menos la suma de las masas de salida son iguales a la

acumulación en el sistema. (Gerard Kyeli. 1999)

Acumulacion=Entrada+Generacion−Salida−Consumo

En ingeniería ambiental, particularmente en tratamientos de aguas residuales

domesticas e industriales, los reactores son básicamente de tres tipos:

Reactores discontinuos o por lotes (BR)

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Donde los reactivos son introducidos al reactor en las condiciones deseadas y

la reacción tiene lugar durante un cierto periodo de tiempo. Luego se descarga

el contenido. Cuanto mas largo sea el tiempo de reacción, mas completa es la

conversión.

Reactor de mezcla completa (CSTR)

Donde los reactivos se alimentan al reactor bien mezclado continuamente y los

productos se descargan del reactor bien mezclado continuamente. Al estar bien

mezclados se supone que el contenido es uniforme en su concentración, no

existe gradientes, por tanto la concentración del reactor es igual a la del

efluente. Un aumento del tiempo de residencia en el reactor aumentara la

extensión o conversión.

Reactor de flujo pistón (PFR)

Donde la aportación se realiza en un extremo del reactor largo y los productos

se descargan en el otro extremo, después de pasar un tiempo de retención en

el sistema. Como la distancia de desplazamiento es una función del tiempo, la

extensión de la reacción depende de la longitud; por lo tanto cuanto mas largo

es el reactor mayor será la conversión.

d) Cinética e isotermas de adsorción en plantas

En general, los mecanismos de remoción son diferentes entre las

distintas especies de plantas y estarán determinados por el tipo de metal. Sin

embargo, la adsorción es sin duda el mecanismo de remoción extracelular más

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reportado en plantas acuáticas (Stirk y Staden, 2001).

2.4.2.2. Etapas en la depuración de aguas residuales

Según COLLADO (1993) la eliminación de los contaminantes se

realiza de forma ordenada y secuencial a través de diferentes etapas, que

aplicadas de forma sucesiva proporcionan un grado de tratamiento creciente de

las aguas. En una planta típica de tratamiento el agua residual pasa por una

serie de procesos físicos, químicos y biológicos cada uno con una tasa de

eliminación especifica.

Pre-Tratamiento Físicos y/o Químicos

Tratamiento primario Físicos

Tratamiento Secundario Biológicos

Tratamiento Terciario Físicos y/o Químicos y/o Biológicos

2.4.2.3. Características físicas, químicas y biológicas de las aguas

residuales

a. Características Físicas

Según METCALF y EDDY (1996) la característica física más

importante del agua residual es el contenido total de sólidos, término que

engloba la materia en suspensión, la materia sedimentable, la materia coloidal

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y la materia disuelta. Otras características físicas importantes son el olor,

la temperatura, la densidad, el color y la turbiedad.

b. Características Químicas

Las características químicas de las aguas residuales son

principalmente el contenido de materia orgánica e inorgánica, y los gases

presentes en el agua residual (METCALF y EDDY 1996).

c. Características Biológicas

En el tratamiento biológico se deben de tomar en cuenta las

siguientes características del agua residual: principales grupos de

microorganismos presentes, tanto en aguas superficiales como en residuales,

así como aquellos que intervienen en los tratamientos biológicos; organismos

patógenos presentes en las aguas residuales; organismos utilizados como

indicadores de contaminación y su importancia; métodos empleados para

determinar los organismos indicadores, y métodos empleados para determinar

las toxicidad de las aguas tratadas (METCALF y EDDY, 1996).

2.4.2.4. Taxonomía de las especies a trabajar

a. Jacinto de agua (Eichornia crassipes)

Reino Vegetal

División Magnoliopkyta

Clase Liliopsida

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Orden Pontedenales

Familia Pontedenaceae

Genero Eichornia

Especie Crassipes

Cuadro nº 1. Clasificación taxonómica del Jacinto de agua

Descripción

El Jacinto de agua también conocido como lirio de agua, camalote

o lechugin es una planta acuática perenne, vascular de flotación libre con

raíces sumergibles, fibrosas y comúnmente coloreadas, de climas cálidos y

fríos, con flores lilas y azulados. Es la octava planta con crecimiento más

rápido en el mundo por lo que le permite extenderse y sobrevivir en muchos

sitios.

Puede duplicar su tamaño en diez días, y durante ocho meses de normal

crecimiento una sola planta es capaz de reproducir 70.000 plantas hijas, que

pueden llegar a medir entre 0.5 a 1.5

Parámetros de crecimiento

Su crecimiento va a depender del medio donde se desarrolle.

Cuando hay escasez de elementos fertilizantes se inhibe el crecimiento de la

planta. Por el contrallo, en abundancia de nutrientes la planta se desarrolla a

su máximo límite, adquiriendo un intenso color azul-verdoso.

A continuación se citan parámetros de crecimiento:

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- Requieren iluminación intensa o estar en semisombra.

- Para un óptimo crecimiento la temperatura debe estar entre 25 a

30°C.cesando a los 10°C y produciendo la muerte, por lo que en

inviernos fríos hay que protegerlas de las heladas.

- Dada que la relación nitrógeno/fósforo en los tejidos de la Eichomia

crassipes es mayor a la que se encuentra en el agua, el nitrógeno se

agotara antes que el fósforo, por lo que sería necesaria una fertilización

suplementaria con N (nitrógeno) para lograr una eliminación de P

(fósforo).

- La carga orgánica expresada en términos de DBO5 puede variar entre

1 y 30 ppm al día (10 y 300 Kg ha día).

- Necesita un pH que se sitúe entre 6.5 - 7.5.

- Requiere una dureza media alrededor de 12 - 18 DH.

- El crecimiento de la Eichornia crassipes es favorecido por el agua rica

en nutrientes, en especial el nitrógeno, fósforo y potasio. Además de

estos elementos toma, calcio, magnesio, azufre, hierro, aluminio, boro,

cobre, molibdeno y zinc.

b. Lenteja de agua (Lemnna minor)

Reino Vegetal

División Magnoliopkyta

Clase Liliopsida

Orden Arales

Familia Lemnaceaes

Género Lemna

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Cuadro nº 2. Clasificación taxonómica de la Lenteja de agua

Descripción de la especie.

La Lemna minor también conocida como limachos u ovas es una

planta acuática flotante que tiene una estructura muy simple y una de las tasas

de crecimiento más altas en el mundo. Esta familia comprende cuatro géneros:

Lemna, Spirodela, Wolfia y Wolfiella.

Es una planta muy pequeña de una estructura muy simple.

Aunque es flotante no presenta tallo separado de las hojas, posee una

fusión de ambos llamado fronda, su tamaño varía entre 0.1 y 2 cm de

diámetro. La tasa de reproducción relativa de la Lemna minor puede estar

entre 0.1 y 0.5 dia", lo que significa que en condiciones ideales puede

doblar su biomasa.

2.4.2.4. Tipos de tratamientos para la depuración de aguas

residuales

a. Tratamientos mecánicos o físicos

Dentro de estos tratamientos tenemos a los mencionados a

continuación (METCALF y EDDY 1996):

- Decantación

En este tratamiento se facilita la precipitación de materias en

suspensión cuyo diámetro sea superior a 0,2 mm.

- Filtración

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Como en el caso de la decantación, se puede efectuar la filtración

de aguas crudas previamente tratadas, así como de aguas posteriormente

tratadas por métodos biológicos o químicos. Sin embargo el elevado contenido

de materias coloidales y mucílagos, dificulta su filtración.

b. Tratamientos biológicos

Este tratamiento consiste en el consumo de materia orgánica

contenida en las aguas de desecho y de una parte de las materias nutrientes

(nitrógeno y fósforo), por parte de los microorganismos, ya presentes en dichas

aguas, dentro de estos se encuentran los siguientes tratamientos (ROJAS,

1999):

-Lodos activados

Las aguas de desecho decantadas, son sometidas a un proceso de

oxidación mediante la aportación de aire atmosférico o bien enriquecido con

oxígeno. A mayor aireación mayor coste y mayor mineralización de los lodos.

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Figura 1. Diagrama de una planta depuradora de agua con lodos activos.

- Laguna de lodos

Cuando la tipografía y el coste de los terrenos lo permitan, se envía

el agua a estanques poco profundos, en los que se consume la materia

orgánica por algas gracias al proceso de fotosíntesis.

- Tratamiento anaeróbico del agua

Se utiliza frecuentemente una variante de la fosa Imhoff, o fosa de

doble etapa. En ella se produce una fermentación metánica y un elevado

consumo de materia orgánica por microorganismos presentes en el agua y en

ausencia de aire.

2.4.2.5. Técnicas de eliminación de metales pesados en aguas

La precipitación química

Consiste en la separación de los iones metálicos de una disolución como

consecuencia de la disminución de la solubilidad de los metales con el

incremento del pH. La precipitación química consiste en la formación del

hidróxido metálico correspondiente mediante el ajuste del pH a través de la

adición de compuestos básicos como hidróxido sódico (NaOH), hidróxido

cálcico (Ca(OH)2) o cal (CaO), y es el método más ampliamente utilizado para

la eliminación de metales disueltos en el agua residual. En la mayoría de

casos, el hidróxido cálcico es el reactivo más eficaz porque da lugar a la

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formación de precipitados muy estables y posee capacidad para desestabilizar

coloides. A su vez, juega un papel importante como adsorbente, ya que incluso

a valores de pH elevados están presentes partículas sólidas de hidróxido

cálcico con capacidad para retener iones adsorbidos.

Procesos de oxidación-reducción

Los procesos de oxidación-reducción consisten en la adición de un compuesto

que actúa como agente oxidante o reductor, produciéndose una transformación

como consecuencia de la transferencia electrónica entre el compuesto añadido

y los compuestos presentes en el agua residual. Se utilizan para eliminar un

compuesto contaminante del agua residual por cambio de fase, como en la

transformación de nitrato a nitrógeno, o para transformar un compuesto que se

encuentra en una forma de elevada toxicidad a una forma menos peligrosa o

que puede eliminarse más fácilmente.

Uno de los procesos que más se emplean en el tratamiento de efluentes con

metales pesados es la reducción del cromo hexavalente, Cr(VI), a cromo

trivalente, Cr(III), como paso previo a su precipitación. Esta reacción se lleva a

cabo mediante la adición de agentes reductores como el dióxido de azufre

(SO2) y sus sales, el bisulfito sódico (NaHSO3) o el ión ferroso (Fe(II)). Son

reacciones fuertemente dependientes del pH, de manera que el intervalo de

trabajo depende del reactivo utilizado. Por ejemplo, la reducción de Cr(VI) a

Cr(III) utilizando SO2 o algunas de sus sales se lleva a cabo en el intervalo de

pH− 2 3, mientras que si se utiliza NaHSO3 el pH de trabajo debe ser básico

(pH>7).

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Intercambio iónico

El intercambio iónico es un proceso por el cual los iones presentes en un

material de intercambio son remplazados por iones de una especie diferente

que se encuentran en la disolución. El material de intercambio se conoce con el

nombre de resina de intercambio iónico y la forma más habitual de operación

es con la resina en forma de columna empaquetada. Cuando la resina se agota

tras cierto tiempo de funcionamiento, se hace necesaria su regeneración. Los

costes de operación mayoritarios provienen precisamente de la regeneración,

siendo imprescindible su optimización tanto desde el punto de vista económico

como medioambiental.

Tratamientos electroquímicos

Los tratamientos electroquímicos son reacciones de oxidación-reducción

inducidas por la aplicación de energía eléctrica externa entre dos electrodos

que se encuentran inmersos en una disolución conductora. La aplicación más

conocida de esta tecnología es la reducción catódica de los iones metálicos de

una disolución para la deposición del metal. Frente a la precipitación química,

presenta la ventaja de la obtención del metal con unas mejores características

para su reutilización. Sin embargo, si existen varios metales en la disolución,

situación bastante frecuente, aparecen muchas dificultades para la obtención

de un producto metálico aprovechable. Tampoco resulta una técnica adecuada

cuando la concentración de metal es reducida, normalmente inferior a 10 mg,

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dm-3, debido a la disminución de la eficacia de la operación (Eilbeck y Mattochk,

1987).

Procesos de membrana

Los procesos de depuración por membranas consisten en una separación

física de los solutos presentes en el agua residual al pasar a través de una

membrana selectiva a cierto tipo de iones. Los procesos de membrana se

dividen en microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración, ósmosis inversa, diálisis

y electrodiálisis. Se diferencian entre sí por el material constituyente de la

membrana, la naturaleza de la fuerza impulsora, el mecanismo de separación y

el tamaño de poro de la membrana. Las aplicaciones de este tipo de tecnología

son muy diversas y evolucionan en la medida en que mejora el diseño de las

membranas y los materiales utilizados en su fabricación. Concretamente, para

la eliminación de metales pesados se emplean la ultrafiltración, la nanofiltración

y la ósmosis inversa. Las membranas de ultrafiltración son permeables al

solvente, generalmente agua, y a los compuestos de bajo peso molecular,

mientras que las moléculas de tamaño superior al tamaño de poro de la

membrana quedan retenidas en ésta. Las membranas de ultrafiltración retienen

partículas con un tamaño comprendido entre 0.005 y 0.2 μm (Tchobanoglous y

col., 2003). Retienen solutos con peso molecular comprendido en el rango

300−500,000. Los materiales de las membranas más habituales son el acetato

de celulosa, las poliamidas y las polisulfonas. Las presiones suelen estar

comprendidas en el rang−o1 1000 psi (Seader y Henley, 2006).

23

Los mecanismos de separación en la nanofiltración incluyen tanto efectos

estéricos como eléctricos, ya que las membranas de nanofiltración se

caracterizan por el pequeño tamaño de poro y por su carga superficial

(Kurniawan y col. 2006).

Mientras en la ultrafiltración la separación se produce fundamentalmente por

efecto tamiz, en la nanofiltración y en la ósmosis inversa los solutos de menor

tamaño pueden quedar retenidos en la capa de agua adsorbida sobre la

superficie de la membrana. El tamaño de las partículas que son retenidas por

nanofiltración se encuentran en el rango 0.001−0.01 μm.

En los procesos de ósmosis inversa, se aplica una presión hidrostática superior

a la presión osmótica de la corriente alimentada, de manera que los

compuestos son retenidos por la membrana y el agua pasa a través de ésta.

Se utiliza una membrana densa, normalmente de acetato de celulosa o de

poliamidas aromáticas, cuyo espesor debe ser relativamente elevado para

soportar las elevadas presiones a las que es sometida. El tamaño de las

partículas retenidas se encuentra entre 0.001 y 0.0001 μm y las presiones de

trabajo entre 100 y 1,000 psi (Seader y Henley, 2006). Uno de los problemas

más importantes de estos procesos es el ensuciamiento de la membrana,

conocido comúnmente como fouling, que reduce el flujo de agua limitando la

capacidad del sistema. Para reducir el ensuciamiento y alargar la vida útil de

las membranas, se requiere de un pretratamiento del agua a tratar y de un

mantenimiento continuo de las membranas.

En términos relativos, se trata de una técnica de elevado coste asociado a la

adquisición de las membranas, si bien éste va disminuyendo por la continua

24

evolución de la tecnología de fabricación de las membranas y el aumento del

número de instalaciones operativas.

Extracción con disolventes

El tratamiento con disolventes para la eliminación de metales pesados consiste

en la extracción del metal por contacto del efluente contaminado con un

disolvente orgánico, seguido de una separación de la fase orgánica del efluente

descontaminado. Una vez alcanzada la separación de fases, el disolvente

orgánico cargado de metal pesado se pone en contacto con una corriente

acuosa para recuperar el metal y permitir la reutilización del disolvente. Esta

técnica es utilizada para la recuperación del metal cuando su concentración en

la corriente residual es elevada.

La extracción de cationes se lleva a cabo generalmente por formación de

complejos con agentes complejantes ácidos presentes en el disolvente

orgánico, mientras que la extracción de aniones se realiza mediante la

formación de enlaces iónicos con compuestos alquilamínicos de cadena larga o

compuestos de amonio cuaternario presentes en el disolvente orgánico. Silva y

col. (2005) utilizaron esta técnica para recuperar parte de los metales pesados

presentes en un fango industrial. Para ello, separaron los metales del fango

utilizando una disolución ácida que posteriormente fue sometida al

procedimiento de extracción con disolventes, en el que se utilizó ácido fosfórico

disuelto en keroseno como disolución de extracción.

Adsorción sobre carbón activado

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La adsorción es un proceso en el que átomos, iones o moléculas son retenidas

en la superficie de un material. Consiste en un proceso de separación de un

soluto presente en una fase líquida o gas que se concentra sobre la superficie

de otra fase generalmente sólida. Se considera un fenómeno superficial. Se

denomina adsorbato al soluto y adsorbente a la fase sobre la cual se acumula.

Si bien el carbón activado presenta un elevado potencial para la adsorción de

compuestos orgánicos y algunos inorgánicos, su aplicación al tratamiento de

aguas residuales no está muy extendida, y sus usos en este campo suelen ser

como tratamiento de afino de una corriente que ha sido previamente tratada en

otro proceso, para eliminar parte de la materia orgánica disuelta que

permanece tras el tratamiento. Se usa principalmente para eliminar

compuestos orgánicos refractarios, así como compuestos inorgánicos

residuales como el nitrógeno, sulfuros y metales pesados (Tchobanoglous y

col., 2003).

Bioadsorción

La bioadsorción es un proceso por el cual ciertos tipos de materiales de origen

natural retienen y concentran en su superficie sustancias y compuestos de

diversa naturaleza química presentes en disoluciones acuosas. La aplicación

de esta tecnología se ha estudiado ampliamente para la contaminación por

metales pesados (Schiewer y Volesky, 1995; Gabaldón y col., 2000; Palma y

col., 2003; Vilar y col., 2008). En los últimos años se ha producido un

incremento importante en el número de publicaciones que estudian la

bioadsorción de tintes que forman parte de la carga contaminante de los

26

efluentes de la industria textil (Ncibi y col., 2008; Chen y Chen, 2009; Wu y col.,

2009).

El término bioadsorción hace referencia a un tipo específico de adsorción. En el

proceso participan una fase sólida, el bioadsorbente, y una fase líquida, el

solvente, que contiene las especies disueltas que conviene separar de la

disolución (adsorbatos). Como consecuencia de la elevada afinidad entre el

bioadsorbente y el adsorbato, éste es atraído y retenido sobre el bioadsorbente

por una serie de procesos complejos que incluyen la quimisorción, la

complejación, la adsorción en superficie y en los poros, el intercambio iónico, la

quelación y la adsorción de naturaleza física.

2.4.2.6. Índice de calidad del agua (I.C.A.)

Es una variable que refleja de forma sintética la aptitud de un

cuerpo de agua respecto a los usos prioritarios que este pueda tener, estos

índices también son llamados de “Usos Específicos”. Pueden ser utilizados

para medir los cambios en la calidad del agua en tramos particulares de los ríos

a través del tiempo, los resultados pueden ser utilizados para determinar si un

tramo particular o un cuerpo de agua es saludable o no.

En el 2008 Sergio Sepúlveda, propuso una metodología de calculo

de índice de desarrollo sostenible, el cual por su gran consistencia, y

versatilidad, es aplicable a casi a cualquier realidad, en este caso aplicaremos

esta metodología, que se conoce como BIOGRAMA (Sepúlveda. 2008), a la

calidad de agua.

27

2.4.2.7. Estimación del índice de calidad de agua “I.C.A”

Metodología

a. Seleccionar los indicadores para el ICA de importancia para el estudio.

Los que estén cambiando y afecten sustancialmente a la calidad del agua.

b. Clasificarlos en parámetros físicos, químicos y biológicos.

c. Realizar las mediciones periódicamente de los diferentes parámetros a

trabajar

d. Definir la afectación de cada indicador sobre la calidad del agua. Es

decir si el indicador afecta negativa o positivamente en la calidad del agua, por

ejemplo; la DBO es un indicador que afecta negativamente a la calidad del

agua, en contraste con el OD.

e. Normalizar los datos definidos, se utilizara la técnica de máximos y

mínimos, por lo cual se necesitara valores de varios periodos de medición.

La formula utilizada para normalizar indicadores con afectaciones positivas a la

calidad del agua es:

I i=V i−V minV max−V min

Pero para indicadores con afectaciones negativas a la calidad del agua es:

I i=V i−V maxV min−V max

Donde:

I i=Indicenormalizadodel periodode medicion i

28

V i=Valor delindicador del periododemedicion i

V min=Valormínimo de todaslasmediciones durantetodo el estudio

V max=Valormáximode todas lasmedicionesdurante todo el estudio

f. Asignar peso a cada clasificación de los indicadores, esta se ara con el

método “Delphi” el cual incluye a un grupo de expertos en sus respectivas

áreas que opinaran sobre la importancia de cada clasificación de parámetro de

calidad del agua, que estará definido en porcentajes, a los cuales

posteriormente se les saca un promedio.

g. Finalmente valorizar el índice de cada dimensión con su respectivo peso

definido en el paso anterior Se sumara algebraicamente a cada dimensión

multiplicada con su respectivo peso

El “ICA” adopta para condiciones óptimas un valor máximo

determinado de 100, que va disminuyendo con el aumento de la contaminación

del curso de agua en estudio. Posteriormente al cálculo el índice de calidad de

agua de tipo “General” se clasifica la calidad del agua con base la siguiente

figura:

29

Figura 2. Clasificación del índice de calidad del agua.

Las aguas con “ICA” mayor que 90 son capaces de poseer una alta

diversidad de la vida acuática. Además, el agua también sería conveniente

para todas las formas de contacto directo con ella. Las aguas con un “ICA” de

categoría “Regular” tienen generalmente menos diversidad de organismos

acuáticos y han aumentado con frecuencia el crecimiento de las algas.

Las aguas con un “ICA” de categoría “Mala” pueden solamente apoyar

una diversidad baja de la vida acuática y están experimentando probablemente

problemas de contaminación.

2.4.3. Definición de términos

Mineralización

Reduce la biodisponibilidad de los metales, que por tanto no pueden ser

absorbidos

Quelación

Una vez dentro del organismo, las especies metálicas individuales

experimentan una biotransformación al ser acomplejadas o “secuestradas” por

un ligante existente o sintetizado.

Reducción

30

Implica la transformación de especies químicas altamente tóxicas a especies

menos tóxicas (por ejemplo cromo VI a cromo III), las cuales pueden entonces

ser asimiladas y metabolizadas por las plantas.

Solubilización

Está relacionada con la transformación del metal insoluble a una forma soluble,

es decir, su transformación de una forma no asimilable a una asimilable.

Exclusión

Involucra un sistema de reflujo o liberación de metales desde el interior de la

planta hasta el exterior, para evitar o minimizar la acumulación en sus tejidos.

Fitorremediación:

El término fitorremediación hace referencia a una serie de tecnologías que se

basan en el uso de plantas para limpiar o restaurar ambientes contaminados,

como aguas, suelos, e incluso aire.

Humedales artificiales:

Son estanques semiconstruidos o artificiales, donde se mantienen plantas

flotantes para tratar aguas residuales. Se basa exclusivamente en hacer crecer,

en cultivos hidropónicos, raíces de plantas terrestres con alta tasa de

crecimiento y área superficial para absorber, concentrar y precipitar metales

pesados de aguas residuales contaminadas.

31

Agua residual doméstica:

Residuos líquidos provenientes de viviendas o de edificaciones comerciales o

institucionales.

Aguas residuales mineras

Residuos líquidos provenientes de las actividades mineras

Carga orgánica:

Producto de la concentración de DQO ó DBO por el caudal.

Metales Pesados: 

Metales con alta densidad, y alta toxicidad para la salud, no se degrada

fácilmente y tiende a bioacumularse y biomagnificarse en ecosistemas

Desbaste:

Sistema de rejas y tamices donde quedan retenidos los flotantes y residuos

gruesos que arrastra consigo el agua “bruta” o influente en las estaciones

regeneradoras.

Adsorción:

La adsorción es un proceso en el que átomos, iones o moléculas son retenidas

en la superficie de un material. Consiste en un proceso de separación de un

soluto presente en una fase líquida o gas que se concentra sobre la superficie

de otra fase generalmente sólida. Se considera un fenómeno superficial. Se

denomina adsorbato al soluto y adsorbente a la fase sobre la cual se acumula.

32

Flóculo: 

La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la

agitación de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y

aglomeración de los flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el

tamaño y peso necesarios para sedimentar con facilidad.

Coagulación:

Es un proceso de desestabilización química de las partículas coloidales que se

producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados, por medio de

la adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de

mezclado.

Bioadsorción:

La bioadsorción es un proceso por el cual ciertos tipos de materiales de origen

natural retienen y concentran en su superficie sustancias y compuestos de

diversa naturaleza química presentes en disoluciones acuosas.

Isotermas de adsorción.

La cantidad de soluto retenido por el adsorbente se realiza a temperatura

constante, y la relación entre la cantidad de soluto adsorbida por unidad de

masa de adsorbente y la concentración de soluto en el equilibrio

Capacidad máxima de bioadsorción.

33

Es la cantidad máxima de metal que puede ser incorporado en la planta, sobre

la masa total de la planta.

Cinética de bioadsorción

Es la velocidad a la que la planta adsorbe los metales pesados en el humedal.

2.5. Hipótesis

Los humedales artificiales en condiciones óptimas, removerán más

del 70% de los metales pesados en aguas residuales con metales pesados.

III. MARCO METODOLÓGICO

3.1. Tipo de estudio

El trabajo a realizar será de tipo experimental.

3.2. Lugar y ubicación del proyecto

El trabajo se desarrollará en el área de Tratamiento de aguas

residuales II del laboratorio de aguas de la Universidad Nacional Agraria de la

34

Selva, políticamente ubicada en la ciudad de Tingo María, distrito de Rupa

Rupa, provincia de Leoncio Prado, Región Huánuco.

3.3. Unidad de análisis y muestra

3.3.1. Plantas depuradoras de metales

Las especies a utilizar son Eichornia crassipes y Lemnna

minor, las que serán transportadas a los reactores, que simularan a los

humedales construidos.

3.3.2. Concentración de metales pesados

Sera la cantidad total de metales pesados en todo el volumen

del reactor, los que serán medidos periódicamente antes, durante y

después de su residencia en el reactor.

3.3.3. pH del agua a tratar

Este parámetro será controlado también antes, durante y

después de su residencia en el reactor, este parámetro influenciara

sustancialmente en la adsorción de metales por las plantas.

3.4. Materiales y métodos para la recopilación de datos

3.4.1. Preparación y acondicionamiento del agua residual.

35

Se preparara agua “sintética”; es decir agua que contenga los

contaminantes que deseamos tratar y otros elementos, en las concentraciones

que deseadas. A esta agua se le ajustara la concentración inicial, pH para

cada reactor.

3.4.2. Determinación de los parámetros de calidad del agua.

La determinación de los parámetros de calidad de agua o los

contaminantes presentes en el agua sintética, se realizaran por medio de

técnicas instrumentales como espectrofotometria, …………………………

3.4.3. Toma de plantas de plantas depuradoras de la zona

Las plantas serán tomadas de las coordenadas UTM

correspondientes a la zona 18 con datum WGS 1984, como se señala en el

Cuadro 3.

Cuadro nº 3. Punto seleccionado para la colecta microbiológica.

Punto de colecta Tipo de muestra E (m.) N (m.) Z (m.s.n.m)

Bosque Reservado de la

U.N.A.S.Vegetal 387176 8909136 680

3.4.4. Selección y reconocimiento de las especies a trabajar

Para el reconocimiento de las especies a trabajar se recurrirá .

36

3.4.5. Preparación del agua sintética

3.4.6. Determinación de los índices de calidad

Se utilizara la metodología del BIOGRAMA, propuesta por (Sepúlveda. 2008),

para la cual previa clasificación de parámetros, y su respectiva ponderación por

el método Delphi, con los datos medidos se proseguirá al calculo del índice por

la metodología mencionada

3.4.7. Construcción de los biorreactores

Los reactores se construirán, con paredes de vidrio de

dimensiones de 40 cm por 20cm de base y de 20 cm de alto; el cual tendrá un

orificio por el que se alimentara por medio de un tanque de almacenamiento del

agua sintética, con un pH, concentración y caudal controlado y otro orificio de

salida, por el cual saldrá el agua depurada.

3.4.8. Operación en Biorreactores

Los tanques de almacenamiento, descargaran el agua sintética, el

cual entrara al reactor donde se expondrán las raíces de las especies a trabajar

al flujo de agua sintética, el cual será continuo, las mediciones se aran

periódicamente, cada 5 días, la preparación del agua sintética también se ara

gradualmente en función al volumen del tanque de almacenamiento, como se

menciono anteriormente, el agua sintética tendrá concentraciones de metales

pesados y pH controlados para cada tanque de almacenamiento, que ira a su

respectivo reactor, se observaran los efectos tóxicos de los metales pesados

37

en las plantas, y el tiempo de efecto; se ara la prueba con cada especie

mencionada y también en conjunto.

3.4.9. Eficiencia

Se calculara mediante una correlación porcentual entre la

concentración inicial y final de los contaminantes en el agua presente en cada

reactor, según el tratamiento del mismo, mediante la siguiente fórmula:

Ebd=(C i−C fC i )∗100

Dónde: Ebd = eficiencia (%)

Ci = Concentración inicial de contaminante (g/ml)

Cf = Concentración final de contaminante (g/ml).

3.4. Diseño de la investigación

Se adaptará a un diseño experimental factorial, en el cual se

observará la interacción de las Concentraciones de entrada (C1, C2, C3, C4 y

C5), los pH (pH1, pH2, pH3, pH4 y pH5), y las especies vegetales tanto

individualmente como en conjunto (E1, E2, y E1y2) de modo que se evaluara la

reducción de metales en cada reactor.

38

Figura 3. Diseño experimental.

Leyenda: pH1: pH de prueba 1, pH2: pH de prueba2, pH3: pH de prueba 3, pH4: pH de prueba

4, pH5: pH de prueba 5, C1: concentración de entrada 1, C2: concentración de entrada 2, C3:

concentración de entrada 3, C4: concentración de entrada 4, C5: concentración de entrada 5,

E1: especie depuradora 1, E2: especie depuradora 2, E1y2: especies depuradoras 1 y 2.

3.6. Análisis estadístico e interpretación de la información

Cuadro 4. Disposición de los tratamientos para el diseño factorial

Para la especie 1 (E1)

Concentración inicialC1 C2 C3 C4 C5

pH

pH1pH2pH3pH4pH5

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Para la especie 2 (E2)

Concentración inicialC1 C2 C3 C4 C5

pH

pH1pH2pH3pH4pH5

Para la especie 1 y 2 (E1y2)

Concentración inicialC1 C2 C3 C4 C5

pH

pH1pH2pH3pH4pH5

Se utilizará el paquete estadístico S.A.S v 9.0. para el análisis de los datos.

3.6.1. Variables

3.6.2.1. Variables dependientes

- Tasa de adsorción, adsorción de equilibrio y capacidad

máxima de adsorción

3.6.2.2. Variables independientes

Entre las variables independientes evaluadas tendremos:

- Concentración inicial

- pH del agua sintética

3.7. Ética de la investigación

40

Este trabajo de investigación será trascendental para una futura

planta de tratamiento de aguas residuales domésticas, pues no solo se buscará

que se optimice el aspecto económico, sino que se mejorará la calidad de los

cuerpos de agua lo que implicará, una mejor calidad de vida de los pobladores

de la ciudad de Tingo María, contribuyendo a una mejora de la urbe, una

recuperación de los paisajes y de esta manera un incremento de los visitantes

nacionales y extranjeras que aman la naturaleza y su cuidado.

La ejecución del proyecto no tendrá efecto alguno sobre la ética y

la moral de algún agente económico (empresas, industria, familias,

instituciones, etc.), más a lo contrarío dará una mejor imagen de nuestra

ciudad, mostrando el compromiso y la responsabilidad que tiene con el

ambiente.

IV. ASPECTO TÉCNICO ADMINISTRATIVO

41

IV.1. Recursos requeridos

Recursos Humanos

Materiales

Equipos

42

40

43

IV.2. Cronograma de trabajo

Presupuesto del proyecto

ITEMS MARCA UND CANT. PRECIO COSTO PARCIAL

BIENES

MATERIALES DE LABORATORIO

MATERIALES DE ESCRITORIOMATERIALES DE COMPUTACIÓNMATERIALES BIBLIOGRÁFICOSEQUIPOS SERVICIOS

TOTAL S/. 49,085.00

0

Mes 1.

Todos los materiales de laboratorio y de escritorio

Mes 2.

Todos los equipos

Mes 3.

Todos los materiales bibliográficos

1

V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

0