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REPÚBLICA DEL ECUADOR
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE UN FILTRO PARA REDUCIR LA TURBIDEZ DE AGUAS
RESIDUALES UTILIZANDO MATERIAL LITOLÓGICO COMO MEDIO
FILTRANTE.
TESIS PRESENTADA A LA UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL COMO
REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO
QUÍMICO EN LA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
GÓMEZ DUNKLEY GUIDO JOEL
2018
REPÚBLICA DEL ECUADOR
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE UN FILTRO PARA REDUCIR LA TURBIDEZ DE AGUAS
RESIDUALES UTILIZANDO MATERIAL LITOLÓGICO COMO MEDIO
FILTRANTE.
AUTOR: GUIDO JOEL GÓMEZ DUNKLEY
TUTOR: ING. SANDRA ELVIRA FAJARDO MUÑOZ MSc.
GUAYAQUIL, 11 SEPTIEMBRE DEL 2018
FACULTAD INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA/CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
ANEXO 10
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE GRADUACIÓN
TÍTULO Y SUBTÍTULO: Diseño de un filtro para reducir la turbidez de agua residuales utilizando material
Litológico como medio filtrante.
AUTOR(ES) (apellidos/nombres): Gómez Dunkley Guido Joel
REVISOR(ES)/TUTOR(ES) (apellidos/nombres):
Fajardo Muñoz Elvira Sandra MSc. ; Velázquez Araque Luis Enrique
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil
UNIDAD/FACULTAD: Ingeniería Química
MAESTRÍA/ESPECIALIDAD:
GRADO OBTENIDO: Ingeniero Químico
FECHA DE PUBLICACIÓN: Septiembre 2018 No. DE PÁGINAS: 110
ÁREAS TEMÁTICAS: Tratamientos de aguas, Medio ambiente, Ciencias de la tierra
PALABRAS CLAVES/ KEYWORDS: Aguas residuales, Filtro, Material litológico, Turbidez, Solidos Suspendidos.
RESUMEN/ABSTRACT:
ADJUNTO PDF: SI NO
CONTACTO CON AUTOR/ES: Teléfono: 0993223772
E-mail: [email protected]
CONTACTO CON LA INSTITUCIÓN:
Nombre: Universidad de Guayaquil-Facultad de Ingeniería química
Teléfono: 04-229-2949
E-mail: www.fiq.ug.edu.ec
Las aguas residuales se originan por diversas actividades de índole social e industrial, esta propuesta busca innovar
los métodos de tratamiento de aguas residuales, por medio de material litológico, recurso natural en el sector en la
ciudad de Guayaquil; para reutilización de dichas aguas en actividades agrícolas, el material es recolectado de 2 zonas
diferentes comuna Chongón y sector Alborada, el cual es acondicionando y calcinado para formar el lecho filtrante,
después se realizaron pruebas de porosidad posteriormente se caracterizó las muestras de aguas residuales
recolectadas en el río Guayas, evaluando su turbidez, DBO, conductividad, solidos suspendidos, dureza y nitratos. El
lecho se desarrolló con 2 tipos de suelos y tamaños (5-10mm), en los ensayos se usó 100g de cada lecho y se analizó
los parámetros de turbidez, DBO, pH, conductividad para identificar el lecho filtrante que presente la mayor eficacia en
la disminución de turbidez presentando los mejores resultados los lechos fabricados con material de Alborada, para
finalizar se dimensionó el filtro con las combinaciones de los mejores resultados (lecho Alborada).
FACULTAD INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA/CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
ANEXO 6
Habiendo sido nombrado ING.SANDRA ELVIRA FAJARDO MUÑOZ MSc., tutor del trabajo de
titulación certifico que el presente trabajo de titulación ha sido elaborado por GUIDO JOEL GÓMEZ
DUNKLEY, C.C.: 2450003534, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la
obtención del título de INGENIERO QUÍMICO.
Se informa que el trabajo de titulación: “ DISEÑO DE UN FILTRO PARA REDUCIR LA TURBIDEZ
DE AGUAS RESIDUALES UTILIZANDO MATERIAL LITOLÓGICO COMO MEDIO FILTRANTE”, ha
sido orientado durante todo el periodo de ejecución en el programa antiplagio (URKUND) quedando el
2_% de coincidencia.
https://secure.urkund.com/view/39977847-319744 540462#q1bKLVayijbQMdYx1TGL1VEqzkzPy0zLTE7MS05VsjLQMzA0NjI2NTYwMTU1tjS2MDYwr
AUA
FACULTAD INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA/CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
Guayaquil, 30 de Agosto del 2018
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR REVISOR
Habiendo sido nombrado tutor LUIS ENRIQUE VELÁZQUEZ ARAQUE PHD. del trabajo de titulación DISEÑO DE
UN FILTRO PARA REDUCIR LA TURBIDEZ DE AGUAS RESIDULES UTILZANDO MATERIAL LITOLÓGICO
COMO MEDIO FILTRANTE certifico que el presente trabajo de titulación, elaborado por GUIDO JOEL
GÓMEZ DUNKLEY, con C.I. No.2450003534, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la
obtención del título de INGENIERO QUÍMICO, en la Carrera/Facultad, ha sido REVISADO Y APROBADO en todas
sus partes, encontrándose apto para su sustentación.
i
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA/CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO EXCLUSIVA PARA EL USO
NO COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO ACADÉMICOS
Yo, GUIDO JOEL GÓMEZ DUNKLEY con C.I. No. 2450003534, certifico que los contenidos
desarrollados en este trabajo de titulación, cuyo título es “DISEÑO DE UN FILTRO PARA
REDUCIR LA TURBIDEZ DE AGUAS RESIDUALES UTILIZANDO MATERIAL LITOLÓGICO
COMO MEDIO FILTRANTE.” son de mi absoluta propiedad y responsabilidad Y SEGÚN EL Art.
114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS,
CREATIVIDAD E INNOVACIÓN*, autorizo el uso de una licencia gratuita intransferible y no
exclusiva para el uso no comercial de la presente obra con fines no académicos, en favor de la
Universidad de Guayaquil, para que haga uso del mismo, como fuera pertinente
GUIDO JOEL GÓMEZ DUNKLEY
C.I. No. 2450003534
*CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E
INNOVACIÓN (Registro Oficial n. 899 - Dic./2016) Artículo 114.- De los titulares de derechos de obras creadas en las instituciones de educación superior y centros educativos.- En el caso de las obras creadas en centros educativos, universidades, escuelas politécnicas, institutos superiores técnicos, tecnológicos, pedagógicos, de artes y los conservatorios superiores, e institutos públicos de investigación como resultado de su actividad académica o de investigación tales como trabajos de titulación, proyectos de investigación o innovación, artículos ANEXO 14 académicos, u otros análogos, sin perjuicio de que pueda existir relación de dependencia,
la titularidad de los derechos patrimoniales corresponderá a los autores. Sin embargo, el establecimiento tendrá una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la obra con fines académicos.
ii
DEDICATORIA
Agradecimiento a Dios; dedicado a mi Padre Guido Gómez Tumbaco, mi Madre
Mariana Dunkley Tómala; mis hermanos Jean Claudio Gómez Dunkley, Robert
Gómez Dunkley, Steven Gómez Dunkley, mi tía Patricia Dunkley que es como
una madre para mí ,dedicado para Julissa Roca por todo; este trabajo va
dedicado para mi familia y para las personas más importantes en mi vida que
estuvieron en cada paso que di para llegar hasta aquí ,ser un profesional es una
meta que me trace, que gracias al esfuerzo y perseverancia voy a cumplir.
iii
AGRADECIMIENTOS
Mi agradecimiento, a mi tutora la Ing. Sandra Fajardo Muñoz MSc. Con mucho
respeto y consideración quien me apoyo con sus conocimientos sobre el tema a
cada paso de la investigación y desarrollo del proceso; al Ing. Guillermo
Cárdenas decano de la facultad de Ingeniería química, por el préstamo de su
laboratorio de Investigación de aguas residuales que fue fundamental para los
ensayos del proyecto de titulación, a la Ing. Cecilia Uzca por el préstamo de su
laboratorio y equipos para realizar la formación del lecho; Agradecimiento
especial al Ing. Marlon Ramírez L. Director técnico de la unidad de control de
calidad Laboratorio de petróleos y medio ambiente , a la Ing. Roxana Martínez
Vera Auxiliar del laboratorio por su apoyo con los análisis fisicoquímicos de las
muestras de aguas; y todos los docentes que impartieron sus enseñanzas
durante la trayectoria de la carrera.
Agradecimiento especial a mi Padre y Madre que me inculcaron los valores, me
motivaron para que persiguiera, cumpliera mis metas.
iv
ÍNDICE
LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO EXCLUSIVA PARA EL USO NO COMERCIAL DE LA
OBRA CON FINES NO ACADÉMICOS ............................................................................................... i
DEDICATORIA ................................................................................................................................ ii
AGRADECIMIENTOS....................................................................................................................... ii
ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................................... viii
ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................................... x
ÍNDICE DE APÉNDICES O ANEXO ................................................................................................... x
RESUMEN ...................................................................................................................................... xi
ABSTRACT ..................................................................................................................................... xii
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 1
CAPÍTULO I .................................................................................................................................... 4
MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................... 4
1.1 El Problema ......................................................................................................................... 4
1.2 Justificación ......................................................................................................................... 5
1.3 Objetivos de la investigación ............................................................................................... 6
1.3.1 Objetivo general ........................................................................................................... 6
1.3.2 Objetivos específicos .................................................................................................... 6
1.4 Delimitación ........................................................................................................................ 6
1.5 Hipótesis .............................................................................................................................. 6
1.6 Operacionalización de las variables .................................................................................... 7
CAPÍTULO II ................................................................................................................................... 8
MARCO CONCEPTUAL ................................................................................................................... 8
2.1 Antecedentes ...................................................................................................................... 8
2.1.1 A nivel nacional ........................................................................................................... 8
2.1.2 A nivel Internacional .................................................................................................... 8
2.2. Bases teóricas ..................................................................................................................... 9
2.2.1. Aguas naturales y residuales ...................................................................................... 9
2.2.2. Aguas subterráneas .................................................................................................... 9
2.2.3. Aguas superficiales ................................................................................................... 10
2.3. Ciclo de gestión de aguas residuales ............................................................................... 10
2.4. Consecuencias del vertido de las aguas residuales no tratadas ..................................... 13
2.5. La agricultura como usuaria de aguas residuales ............................................................ 14
2.6. Caracterización de las aguas ........................................................................................... 14
v
2.6.1. Solidos disueltos totales (SDT) .................................................................................. 14
2.6.2. Conductividad Eléctrica ............................................................................................. 15
2.6.3. Turbidez ..................................................................................................................... 15
2.6.4. Temperatura .............................................................................................................. 16
2.6.5. Alcalinidad ................................................................................................................. 16
2.6.6. Materia Orgánica ....................................................................................................... 16
2.6.7 pH ............................................................................................................................... 17
2.6.8. Oxígeno Disuelto ....................................................................................................... 17
2.6.9. DBO ........................................................................................................................... 17
2.6.10. DQO ......................................................................................................................... 18
2.6.11. Dureza ..................................................................................................................... 18
2.6.12. Sulfatos .................................................................................................................... 18
2.6.13. Nitratos .................................................................................................................... 18
2.6.14. Cloruros ................................................................................................................... 19
2.7. Pretratamiento de efluentes residuales .......................................................................... 19
2.7.1. Sedimentación ........................................................................................................... 19
2.7.2. Cribado ...................................................................................................................... 19
2.7.3. Flotación .................................................................................................................... 20
2.7.4. Filtración .................................................................................................................... 22
2.7.5. Filtros ............................................................................................................................. 22
2.7.5.1. Tipos de filtros ........................................................................................................ 22
2.7.5.2. Material litológico ................................................................................................. 25
2.7.5.3. Lecho filtrante ....................................................................................................... 25
2.7.5.4 Porosidad................................................................................................................. 27
CAPITULO III ................................................................................................................................ 29
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL .................................................................................................. 29
3.1. Preparación de los medios filtrantes ............................................................................... 29
3.1.1. Etapa 1: Recolección del material litológico ............................................................. 29
3.1.2. Etapa 2: Acondicionamiento del material litológico ................................................. 29
3.1.3 Etapa 3: Formación del lecho .................................................................................... 30
3.1.4 Etapa 4 Secado y Calcinado de los lechos ................................................................. 32
3.2. Caracterización del material litológico ............................................................................. 34
3.2.1. Componentes del material litológico ........................................................................ 34
3.2.2. Tamaño promedio del grano presentes en el lecho filtrante ................................... 34
vi
3.2.3. Porosidad................................................................................................................... 34
3.3. Caracterización de muestras de agua residual ................................................................ 35
3.3.1. Recolección de agua residual .................................................................................... 35
3.3.2. Análisis de muestras de agua residual ...................................................................... 36
3.4. Pruebas de filtración ........................................................................................................ 45
3.4.1. Ensamblaje del sistema de filtración ......................................................................... 45
3.4.2. Pruebas con material litológico ................................................................................. 48
3.5. Dimensionamiento del filtro ............................................................................................ 49
3.5.1. Caudal o flujo de filtración ........................................................................................ 49
3.5.2. Área de la columna de filtración .............................................................................. 50
3.5.3 Contenedor del filtro .................................................................................................. 51
3.5.4 Suministro del lecho filtrante ..................................................................................... 53
3.5.5 Masa necesaria de lecho filtrante .............................................................................. 54
3.5.6 Tiempo de retención .................................................................................................. 54
CAPITULO IV ................................................................................................................................ 55
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..................................................................................... 55
4.1. Preparación de los lechos................................................................................................. 55
4.1.1. Recolección del material litológico ........................................................................... 55
4.2. Caracterización de los suelos ........................................................................................... 58
4.2.1. Composición química de los suelos ........................................................................... 58
4.2.2. Medición del tamaño del grano promedio ............................................................... 60
4.2.3. Porosidad del medio filtrante ................................................................................... 61
4.3. Caracterización del agua residual .................................................................................... 63
4.3.1. Recolección del agua residual ................................................................................... 63
4.3.2. Estudios fisicoquímicos del agua residual ................................................................ 64
4.4. Ensayos de filtración del agua residual ........................................................................... 65
4.4.1. Filtración con el lecho Alborada ................................................................................ 65
4.4.2. Filtración con el lecho Chongón ............................................................................... 67
4.4.3. Filtración mezcla del lecho Alborada ....................................................................... 70
4.4.4. Comparación de resultados de los lechos ................................................................. 72
4.5. Comparación de parámetros de las muestras de aguas tratadas. .................................. 75
4.6. Dimensionamiento del filtro ........................................................................................... 76
CAPITULO V ................................................................................................................................. 79
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................................... 79
vii
5.1. Conclusiones..................................................................................................................... 79
5.2. Recomendaciones ............................................................................................................ 80
Bibliografía .................................................................................................................................. 81
ANEXOS ....................................................................................................................................... 86
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1 : Flujos de Aguas Residuales ................................................................. 11
Fig. 2: Variedad de tamices para el tratamiento de efluentes residuales ......... 20
Fig. 3: Filtro prensa de marcos y placas ........................................................... 23
Fig. 4: Criterios para el diseño de filtros intermitentes de arena ...................... 24
Fig. 5: Material litológico triturado del sector de Chongón ................................ 30
Fig. 6: Equipos utilizados para la operación de tamizado del material litológico.
A) Tamices de 600 µm, 250µm. B) Tamizadora vibratoria C) Muestras de
suelos tamizadas. Fuente: [39] ......................................................................... 30
Fig. 7: Preparación de la pasta empleando el material litológico tamizado; A)
Recolectado en Alborada; B) Recolectado Chongón ....................................... 31
Fig. 8: Material litológico A) Forma de spaghettis B) Cortes de 5mm C) Cortes
de 10mm .......................................................................................................... 32
Fig. 9: Material litológico secando .................................................................... 33
Fig. 10: A) Material litológico en el interior de la mufla; B) Material litológico
calcinándose .................................................................................................... 33
Fig. 11: pHmetro HQ 30D ................................................................................. 37
Fig. 12: Conductímetro ..................................................................................... 38
Fig. 13: Turbidímetro Colorímetro DR/890 ....................................................... 41
Fig. 14: Espectrofotómetro 4802 UV/VIS DOUBLE BEAM ............................... 45
Fig. 15: Columna de filtración lenta con material litológico ............................... 47
Fig. 16: A) Grava en HCl por 24horas; B) Grava secándose en la estufa ........ 47
Fig. 17: Diseño de construcción del lecho ........................................................ 52
Fig. 18: Sistema de soporte del lecho .............................................................. 53
Fig. 19: Ubicación del material litológico del sector Alborada y comuna
Chongón ........................................................................................................... 55
Fig. 20: Comuna Chongón lugar donde se extrajo el Material Litológico ......... 56
Fig. 21: Sector Alborada lugar donde se extrajo el Material litológico .............. 57
Fig. 22: Diagrama de las etapas del proceso de la formación del lecho .......... 57
Fig. 23: lecho filtrante preparado y almacenado ............................................... 58
Fig. 24: Análisis de los componentes químicos del suelo de Alborada ............ 59
Fig. 25: Análisis de los componentes químicos del suelo de la comuna
Chongón ........................................................................................................... 59
Fig. 26: Medición del tamaño promedio del grano ............................................ 61
Fig. 27: Porosidad del lecho ............................................................................. 62
Fig. 28: Recolección de las muestras del agua en el Río Guayas ................... 63
Fig. 29: Gráfica de la evaluación de turbidez de los lechos de Alborada ......... 66
Fig. 30: Gráfica de la evaluación de pH de los lechos de Alborada ................. 67
Fig. 31: Gráfica de evaluación de turbidez de los lechos de Chongón ............. 68
Fig. 32: Gráfica de evaluación del pH de los lechos de Chongón .................... 69
Fig. 33: Gráfica de evaluación de la turbidez de los lechos de Alborada
combinado ........................................................................................................ 71
ix
Fig. 34: Gráfica de evaluación del pH de los lechos de Alborada combinado .. 72
Fig. 35: Comparación de variabilidad de la turbidez por acción de los lechos . 73
Fig. 36: Comparación de variabilidad de pH por acción de los lechos ............. 74
Fig. 37: Filtro con material de Alborada con agua sin tratar; A) Lecho 5mm; B)
Lecho 10mm ..................................................................................................... 86
Fig. 38: Muestras de aguas filtradas A) ALBO 5mm B) ALBO Lecho 10mm ... 86
Fig. 39: Filtro con material de Chongón con agua sin tratar; A) Lecho 5mm; B)
Lecho 10mm ..................................................................................................... 87
Fig. 40: Muestras de aguas filtradas A) CHON 5mm B) CHON 10mm ............ 87
Fig. 41: Analisis de parámetros fisicoquímicos del río Guayas pre tratamiento 88
Fig. 42: Análisis de la conductividad y DBO de las muestras de agua post
filtración ............................................................................................................ 89
Fig. 43: Cálculo de la porosidad para lecho ALBO 5mm .................................. 91
Fig. 44: Cáculo de la porosidad para lecho ALBO 10mm ................................. 91
Fig. 45: Cálculo de la porosidad para el lecho CHON 5mm ............................. 92
Fig. 46: Cálculo de la porosidad para el lecho de CHON 10mm ...................... 92
x
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Operacionalización de variables dependientes e independientes del
proyecto Diseño de un filtro para reducir la turbidez de aguas residuales
utilizando material litológico como medio filtrante .............................................. 7
Tabla 2: Contaminantes en importancia en el Tratamiento de Agua Residual . 12
Tabla 3: Ejemplos de impactos negativos de las aguas residuales no tratadas en
la salud humana, medio ambiente y economía ................................................ 13
Tabla 4: Conductividad de diferentes tipos de agua ......................................... 15
Tabla 5: Profundidad de medios filtrantes ........................................................ 27
Tabla 6: Modificación del tipo y tamaño del lecho de los sistemas de filtración 48
Tabla 7: Longitud promedio del medio filtrante (lecho) ..................................... 60
Tabla 8: Diámetro del medio filtrante (lecho) .................................................... 60
Tabla 9: Porosidad de los tipos de lecho filtrante ............................................. 62
Tabla 10: Resultados de los estudios fisicoquímicos de la muestra de agua del
Río Guayas ...................................................................................................... 64
Tabla 11: Tiempos de residencia de las muestras de agua durante los ensayos
de filtración ....................................................................................................... 75
Tabla 12: Parámetros de las muestras de agua tratadas ................................. 75
Tabla 13: Datos y Resultados del dimensionamiento del filtro ......................... 77
Tabla 14: Especificaciones de los lechos filtrantes en el interior del filtro ........ 78
ÍNDICE DE APÉNDICES O ANEXO
Anexo I ............................................................................................................ 86
Anexo II ........................................................................................................... 90
Anexo III .......................................................................................................... 93
xi
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA/CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
“DISEÑO DE UN FILTRO PARA REDUCIR LA TURBIDEZ DE
AGUAS RESIDUALES UTILIZANDO MATERIAL LITOLÓGICO
COMO MEDIO FILTRANTE.”
Autor: Guido Joel Gómez Dunkley
Tutor: Ing. Sandra Fajardo MSc.
RESUMEN
Las aguas residuales se originan por diversas actividades de índole social e industrial, esta
propuesta busca innovar los métodos de tratamiento de aguas residuales, por medio de material
litológico, recurso natural en el sector en la ciudad de Guayaquil; para reutilización de dichas
aguas en actividades agrícolas, el material es recolectado de 2 zonas diferentes comuna
Chongón y sector Alborada, el cual es acondicionando y calcinado para formar el lecho filtrante,
después se realizaron pruebas de porosidad posteriormente se caracterizó las muestras de
aguas residuales recolectadas en el río Guayas, evaluando su turbidez, DBO, conductividad,
solidos suspendidos, dureza y nitratos. El lecho se desarrolló con 2 tipos de suelos y tamaños
(5-10mm), en los ensayos se usó 100g de cada lecho y se analizó los parámetros de turbidez,
DBO, pH, conductividad para identificar el lecho filtrante que presente la mayor eficacia en la
disminución de turbidez presentando los mejores resultados los lechos fabricados con material
de Alborada, para finalizar se dimensionó el filtro con las combinaciones de los mejores
resultados (lecho Alborada).
Palabras Claves: Aguas residuales, Filtro, Material litológico, Turbidez, Solidos Suspendidos.
xii
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA/CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
“DESIGN OF A FILTER TO REDUCE WASTE WATER TURBIDITY USING LITHIOLOGICAL MATERIAL AS A FILTERING MEDIUM”
Author: Guido Joel Gómez Dunkley
Advisor: Ing. Sandra Fajardo MSc.
ABSTRACT Wastewater originates from various activities of social and industrial nature, this proposal seeks
to innovate the methods of wastewater treatment, through lithological material, natural resource
in the sector in the city of Guayaquil; for reuse of said waters in agricultural activities, the material
is collected from 2 different zones Chongón commune and sector Alborada which is conditioning
and calcined to form the filtering bed, after porosity tests were carried out, afterwards the
wastewater samples collected in the Guayas River, evaluating its turbidity, BOD, conductivity,
suspended solids, hardness and nitrates. The bed was developed with 2 types of soils and sizes
(5-10mm), in the tests 100gr of each bed was used and the parameters of turbidity, BOD, pH,
conductivity were analyzed to identify the filtering bed that shows the highest efficiency in the
decrease of turbidity, the best results being the beds made with Alborada material, finally the filter
was dimensioned with the combinations of the best results (Alborada bed).
Key Words: Wastewater, Filter, Lithological material, Turbidity, Suspended Solids
1
INTRODUCCIÓN
Debido a las constantes actividades industriales, domésticas, antropogénicas
estas generan contaminación hídrica a un nivel muy elevado, ocasionando un
incremento en la cantidad de aguas residuales, esto produciéndose gracias al
aumento económico y al bajo control ambiental aun así se plantean medidas que
disminuyan el descuido e impacto al medio ambiente; por consiguiente, existen
investigaciones que buscan dar solución siendo económicamente eficientes,
sustentable y factible. [1, 2]
Las descargas de aguas residuales, provenientes de proyectos y actividades son
de alta preocupación constante para la Autoridad Ambiental, debido a que puede
afectar los mares, lagos, ríos y esteros, pues los contaminantes que arriban en
los cuerpos de agua generan efectos nocivos para la fauna y flora. [3]
En un mundo donde hay demanda de agua dulce en aumento, los recursos
hídricos se ven exigidos cada vez más por la captación excesiva, la polución y
las variaciones climáticas, es altamente recomendable aprovechar las ventajas
que brindaría una mejor gestión de las aguas residuales. [4]
Si continuamos con este automatismo causaremos un mayor deslustre de la
coyuntura en la gestión de aguas residuales, un valor estimado de más del 80 %
de aguas residuales en el mundo (más del 95% en algunos países en desarrollo)
se derrama al medio ambiente sin ser sometido a un tratamiento adecuado, la
polución ha aumentado de manera inquietante en los ríos o afluentes de Asia,
África y América. En 2012 se registraron alrededor de 800.000 fallecidos en el
mundo por consumo de agua potable contaminada e inadecuadas instalaciones
de saneamiento, el vertido de aguas residuales no tratadas en mares y océanos
afecta los ecosistemas marinos debido a la desoxigenación y aumento de zonas
muertas originando consecuencias para el sector pesquero y cadenas
alimenticias. [4]
“Se espera que la demanda mundial de agua aumente de forma considerable,
además se destina alrededor del 70% de las extracciones mundiales al sector
agrícola” [4], también cabe recalcar la importancia de la demanda de recursos
2
hídricos en el sector industrial y energético. La urbanización y el desarrollo de
sistemas de suministros de aguas contribuyen al aumento de la demanda. [4]
Este trabajo busca el posicionamiento de un método poco convencional, con un
bajo costo y novedoso. El procedimiento radica en la disminución o eliminación
de microorganismos concurrentes en las aguas residuales, mediante la
aplicación de un filtro litológico. Se espera evitar el arribó de contaminantes a
fuentes hídricas naturales. Medimos la eficacia del filtro por medio del parámetro
turbidez antes y después del proceso de filtración.
Para esta investigación se utiliza un filtro litológico, material resultante de la
mezcla de diversos tipos de tierras, la cual se extrae de las zonas norte del
Cantón Chongón donde el costo del recurso es favorablemente irrisorio,
resultando viable una propuesta en beneficio del medio ambiente.
El agua residual utilizada para el proyecto, se analizó y caracterizó con la meta
de garantizar la uniformidad, debido a que es la materia prima empleada, se le
realizaron pruebas como nitritos, alcalinidad, DBO, conductividad.
Las ventajas que el proyecto brinda son medibles y de un gran impacto, los
componentes presentes en el material litológico es de vital importancia para
optimizar el tratamiento de aguas; al utilizar y tratar el recurso natural
combinando parámetros de mezcla de suelos o del material se mejora la calidad
del proceso de filtración y sus volúmenes resultantes.
También se aporta a favor del medio ambiente, devolviendo al recurso hídrico un
producto con parámetros más aptos según la Norma de calidad ambiental de
descarga de efluentes recurso: agua [1] y que no cause graves repercusiones al
medio ambiente. Por lo conveniente acceso al material litológico este recurso se
puede implementar en la mayor parte de regiones y países en el mundo; el uso
de aguas residuales de origen domestico son consideradas un medio poco
convencional y alternativo una vez tratadas apropiadamente presentarían una
funcionalidad y utilidad para su reutilización en actividades agrícolas
beneficiando el riego de cultivos. [2]
3
El alcance del proyecto propuesto llega al diseño de estructuración de un filtro
litológico fabricado con material arcilloso propio de las zonas recolectadas como
la comuna Chongón; el sector Alborada; previo a comenzar los ensayos de
filtración se debe determinar la calidad y características de los recurso como la
composición de los suelos y el agua residual (Natural) para especificar y el
diseño optimo del filtro.
4
CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO
1.1 El Problema
Debido al aumento considerable de la población humana y las actividades
antropogénicas, la generación de aguas residuales aumenta gradualmente,
debemos encontrar nuevos métodos para solucionar la problemática de las
aguas residuales, la reutilización de las mismas para diversos usos entre estos
en el sector agrícola y aportar a la demanda de dicho recurso hídrico. [5, 2]
La sociedad en la actualidad origina una cantidad considerable y creciente de
contaminación al entorno donde vivimos debido a las diferentes actividades
realizadas por el hombre y esto también por la desinformación sobre el correcto
manejo de las aguas residuales [2].
El manejo inadecuado e imprudencia de las autoridades encargadas, también
produce un descuido del recurso natural lo que genera consecuencias como
contaminación por microorganismos patógenos que causa enfermedades
crónicas, pandemias desarrollo de virus, alergias y deterioros de los recursos
hídricos. [2]
En el 2017 el informe mundial de las naciones unidas sobre del desarrollo de
recursos hídricos analizo la problemática de las aguas residuales y su posible
potencial como recurso sostenible, los estudios realizados nos indican que en el
mundo la mayor parte de aguas residuales no son tratadas previamente a su
vertido ni recolectadas correctamente es decir son vertidas directamente al
medio exterior afectando el ecosistema, también la escorrentía de tierras
agrícolas no es recolectada ni tratada por lo tanto no existen indicadores para
flujos de aguas residuales. [3]
“Por supuesto que además de ser una oportunidad desaprovechada, el vertido
de casi todas las aguas residuales al medio ambiente sin tratamiento previo
implica riesgos para la salud humana y la naturaleza”. [3]
5
El uso de aguas residuales podría generar que la ciudadanía opte por una
postura opositora, por la carencia de información y confianza con respecto las
probabilidades de riesgos para la salud humana, la reutilización de las aguas
residuales constituye a factores importantes. [4]
Se debe considerar que el manejo y aprovechamiento correcto de las aguas
residuales aportara con grandes beneficios a la salud y al desarrollo sostenible
en una óptima y adecuada gestión de tratamiento de las mismas, también
estableceremos una normativa para el mejor cuidado y conservación de
efluentes dulces. [5]
Este proyecto incentiva a la investigación, innovación, experimentación de
nuevas propuestas en beneficio de la comunidad y el medio ambiente.
1.2 Justificación
Las aguas servidas son consideradas simplemente una complicación
desechadas a fuentes de aguas dulces que se va incrementado a medida de la
intervención del hombre en la sociedad, sin embargo, esto está cambiando
debido a la insuficiencia de agua que va en aumento en diferentes regiones,
primordialmente se reconoce lo vital e importante de la recolección,
acondicionamiento y reutilización de aguas residuales. [6]
Con el aumento de las mismas en las industrias, hogares, comercios, agrícolas
u otras actividades antropogénicas, se ve la necesidad de realizar la
investigación; que se enfoca en la eliminación de los sólidos suspendidos,
utilizando material litológico de sencilla y bajo costo de adquisición.
Para esto se diseña un filtro con diversos materiales obtenidos del medio
ambiente en su forma natural, para realizar este proyecto se debe conocer el
origen del agua residual a tratar, su caracterización física y química para
posteriormente identificar y seleccionar el material litológico necesario para
cumplir con nuestros objetivos y obtener un resultado favorable del proceso, para
conseguir aquello utilizaremos combinaciones según la granulometría del
material litológico y su espesor.
6
1.3 Objetivos de la investigación
1.3.1 Objetivo general
Desarrollar un método experimental para la eliminación de solidos
suspendidos mediante un filtro litológico disminuyendo la turbidez de
aguas residuales en la ciudad de Guayaquil.
1.3.2 Objetivos específicos
Determinar y comparar los parámetros físicos de muestras de agua
residual como: color, conductividad, pH, turbidez.
Mejorar la calidad del agua utilizando un proceso de filtrado
Aprovechando las propiedades del suelo o material litológico.
Caracterizar aguas residuales antes y después del procedimiento de
filtración.
Analizar la eficiencia del medio filtrante con características litológicas.
Dimensionar el filtro utilizando el medio filtrante con mejores resultados
1.4 Delimitación
El proyecto durara un periodo de 6 meses en el cual se estima desarrollar la
parte y metodología experimenta siguiendo el Manual de normas APHA 1995, y
STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER, SEWAGE AND
INDUSTRIAL WASTE 23RD EDITION el mismo que desarrollara en un tiempo
estimado de 3 meses, el proyecto se enfoca en eliminar la turbidez de aguas
residuales aplicando material litológico extraído del sector norte de la ciudad de
Guayaquil y del sector de Chongón. El móvil de este trabajo radica en aplicar un
filtro con material natural y de bajo costo de adquisición y procesamiento de la
materia prima para realizar el diseño del filtro.
El procedimiento está enfocado directamente a tratamiento de aguas primario
para uso específico en el sector agrícola en las actividades de riego.
1.5 Hipótesis
Comprobar si las propiedades como la porosidad de un material litológico, así
como su particularidad permeabilidad permiten la disminución de partículas
7
sólidas suspendidas funciona eficazmente en el tratamiento de aguas residuales,
siendo este un recurso de bajo costo y fácil adquisición.
1.6 Operacionalización de las variables
Variable dependiente: Diseño de un filtro para reducir la turbidez en aguas
residuales
Variable independiente: Material litológico como medio filtrante
Tabla 1: Operacionalización de variables dependientes e independientes
Tipo de
variable
Variable Sub-
Variable
Definición Etapa Indicador Unidad
de
medida
Indepen
diente
Material
litológico
como
medio
filtrante
Especi
ficacio
nes
Porosidad Magnitud física que
tienen materiales para
absorber en los
espacios o poros
abiertos.
Recolección
de materia
prima
Visual mm
Contenido
orgánico
Cantidad de residuos o
minerales presentes en
el material litológico.
Recolección
de materia
prima
Análisis
fisicoquímico
Dependi
ente
Diseño de
un filtro
para
reducir la
turbidez en
aguas
residuales
Especi
ficacio
nes
Turbidez Es una medida de las
propiedades de
dispersión de la luz de
las aguas, esto se debe
a la presencia de
solidos suspendidos
Producto en
proceso
Turbidimetro NPU
Conductivi
dad
Medida de
concentraciones iónicas
presentes en el agua.
Producto en
proceso
conductimetr
o
mS/cm
pH Medida de acidez o
basicidad del agua
residual después del
filtrado.
Producto en
proceso
pHchimetro pH
Tiempo de
filtrado
Periodo que se toma en
filtrar la muestra.
Producto en
proceso
Cronometro s/min
Fuente: [39]
8
CAPÍTULO II
MARCO CONCEPTUAL
2.1 Antecedentes
2.1.1 A nivel nacional
Estudios previos para depurar aguas residuales con filtros naturales, por
ejemplo, en Ecuador en la provincia del Oro se diseñó un filtro con zeolitas que
presentaba cualidades absorbentes, combinado con una capa de grava y arena
en un plato difusor de plástico, también un sistema para contrarrestar coliformes
fecales con cloro con el objetivo final de potabilizar el agua contenida en pozos.
[7]
2.1.2 A nivel Internacional
En Portugal se desarrolló experimentalmente en el uso de efluentes de PTAR
formadas por sedimentación primaria y secundaria, lagunas facultativas, en
algunos cultivos ejemplo granos como el maíz y sorgo, por medio de riego por
goteo. El rendimiento de dichos cultivos rociados por dicho efluentes presentaron
similitudes en los resultados de cultivos que fueron regados por agua potable y
usan fertilizantes, lo que señala que el volumen de nitrógeno de los efluentes del
sistema de alcantarillado posee una utilidad de fertilización muy similar a los
fertilizantes comerciales, es decir agua residual tratada y reutilizada para riego
de cultivos. [2]
En Venezuela existen investigaciones con respecto al diseño de filtros
ecológicos para tratamiento de efluentes, por ejemplo la Universidad de Zulia
dispone de su proyecto “Pulimentos de los efluentes de las lagunas de
estabilización a través de un filtro rocoso”, en el cual se estudió la eficiencia de
un filtro rocoso para mejorar la calidad de efluentes evaluando parámetros físicos
y químicos empleando piedras de tipo granzoncillo obteniendo un resultado
favorable del 80% de remoción de turbidez. [5]
La reutilización de aguas residuales en el campo de la piscicultura es una muy
difundida práctica en unas regiones del mundo; en Egipto se practicó de manera
9
experimental el uso de aguas residuales sometidas a un previo tratamiento para
riego de cultivos y árboles. [8]
2.2. Bases teóricas
2.2.1. Aguas naturales y residuales
El agua es una sustancia, formada por dos moléculas de hidrogeno y una de
oxígeno, presenta propiedades como incolora, insípida, hierve a 100ºC a 1atm,
se solidifica a 0ºC, las aguas naturales son soluciones de diferente complejidad,
debido al contacto del agua con componentes químicos que se encuentran en
aire y suelo. El agua de lluvia contiene gases disueltos de la atmósfera y otros
contaminantes del aire. [9] Las aguas naturales de la hidrosfera presentan
diferente complejidad, esto debido al contacto continuo entre el agua natural y
diferentes sustancias químicas presentes en el entorno o medio ambiente, el
agua de lluvia contiene gases que son esparcidos por la atmosfera y varios
contaminantes del aire. [5, 9]
Las aguas residuales se pueden considerar como una mezcla de los efluentes
de origen domestico es decir aguas negras y aguas grises; aguas de
instituciones comerciales, hospitales, efluentes industriales, aguas pluviales y
otras efluentes urbanas, también pueden ser agrícola y acuícola. [10]
2.2.2. Aguas subterráneas
La mayor parte se origina del agua de lluvia infiltrada a los acuíferos, después
de fluir a través del subsuelo, durante este proceso el agua arrastra impurezas
entre las cuales están partículas orgánicas e inorgánicas microorganismos
pesticidas y fertilizantes. [5, 11] El agua que recorre el subsuelo mejora
notablemente su calidad, las partículas suspendidas y microorganismos se
retienen por causa de un filtrado natural, también se produce una degradación
por oxidación. [5]
Aunque las sales disueltas que ocasionan la dureza y salinidad no se filtran,
estas aumentan su proporción debido a los minerales que se encuentran
presentes en el subsuelo. [5]
10
2.2.3. Aguas superficiales
Las principales son los ríos, arroyos, lagos y presas, estos se pueden originar
del agua subterránea que aflora a la superficie a talvez de manantiales o el agua
de lluvia, ya que esta tiene su origen en el subsuelo, esta contiene solidos
disueltos, el agua que se esparce por la superficie aporta a la contaminación de
lagos con alta turbidez y materia orgánica. El agua residual es de composición
variable proveniente de uso doméstico, industrial, comercial, agrícola, pecuario
ya que esta presenta degradación en la calidad del agua. [12]
2.3. Ciclo de gestión de aguas residuales
El control y la regulación de los flujos de aguas residuales el cual puede
subdividirse en 4 fases o etapas:
Etapa 1: La prevención o disminución del alto grado de polución de efluentes en
términos de carga contaminante y volumen de aguas residuales resultantes,
controlando el uso de varios contaminantes o limitar su vertido en las corrientes
de aguas residuales por medios regulatorios o técnicos. [6]
Etapa 2: La eliminación de contaminantes de las corrientes de aguas residuales,
mediante sistemas operacionales con una infraestructura adecuada, métodos de
recolección y tratamiento que supriman los componentes contaminados de los
efluentes, para que puedan reutilizarse o ser reintegradas de manera segura al
ciclo del agua sin desencadenar impactos ambientales. [6] Se ilustra los
contaminantes de aguas residuales en la tabla 2.
Etapa 3: El uso de aguas residuales, el uso inequívoco de estas sin tratar
adecuadamente no genera beneficios, esta se aplica para riego, las
innovaciones tecnológicas en el tratamiento de aguas avanzan para encontrarles
nuevos usos siempre que la calidad de estas sea óptima para la actividad
requerida. [6]
Etapa 4: La recuperación de subproductos útiles, de las aguas residuales se
pueden extraer componentes que pueden servir para otras actividades, se
pueden obtener nutrientes, materia orgánica, metales entre otros por
11
procedimientos de transformación; un ejemplo claro es el del biogás que se
obtiene de lodos o el biocombustible de algas, se presenta la oportunidad de
extraer nitrógeno y fosforo que pueden modificarse para resultar en fertilizantes.
[6]
Una función del ciclo de gestión de aguas residuales es moderar los impactos
negativos en la salud humana, nuestro entorno y economía. [6] Se ilustra o el
flujo de las aguas residuales en la Fig.1.
En la tabla 2 se muestran los diferentes contaminantes en el tratamiento de
aguas residuales que se deben considerar prioritarios.
Fig. 1 : Flujos de Aguas Residuales
Fuente: [6]
12
Tabla 2: Contaminantes en importancia en el Tratamiento de Agua
Residual
Contaminantes Razón de importancia
Sólidos en
suspensión
Pueden dar lugar a un depósito de fangos y de
condiciones anaerobias cuando se vierte agua residual
sin tratar al entorno acuático.
Materia orgánica
biodegradable
Se compone de proteínas, carbohidratos, grasas
animales; se mide en función del DBO (demanda
bioquímica de oxigeno) y DQO (demanda química de
oxigeno), si se descargan en el entorno sin tratar se
puede producir un agotamiento de recursos naturales.
Patógenos Se transmiten enfermedades contagiosas por medio de
organismos patógenos
Nutrientes Cuando el nitrógeno, fosforo, carbono cuando se vierten
en el terreno en exceso provocan contaminación de agua
subterránea.
Contaminantes
prioritarios
Son compuestos orgánicos e inorgánicos determinados
en base a su carcinogesidad o toxicidad de agua
conocida o sospechada.
Materia orgánica
refractaria
Esta materia orgánica tiende a resistir los métodos
convencionales de tratamiento, por ejemplo, los agentes
tensoactivos y pesticidas agrícolas.
Metales pesados Los metales pesados con comúnmente añadidos al agua
residual en el curso de ciertas actividades comerciales e
industriales.
Solidos
inorgánicos
disueltos
El calcio, sodio, sulfatos se añaden al agua de
suministro, se deben eliminar si el agua residual se va a
reutilizar.
Fuente: [13]
13
2.4. Consecuencias del vertido de las aguas residuales no tratadas
Las aguas residuales que no han sido tratadas o han sido tratadas
incorrectamente o incompletamente y son vertidas al ecosistema provocan
contaminación de suelo y aguas tanto superficiales como subterráneas. Después
de ser vertidas en los ecosistemas acuáticos las aguas residuales se diluyen, y
se transportan a fuentes hídricas como los acuíferos por acción del flujo de la
corriente afectando la calidad y disponibilidad de las fuentes de agua dulce [14].
Las principales consecuencias originadas por una mala gestión en el manejo de
aguas residuales generarán efectos adversos que afectaran negativamente la
salud humana, el medio ambiente y la economía los cuales se especifican en la
tabla 3.
Tabla 3: Ejemplos de impactos negativos de las aguas residuales no
tratadas en la salud humana, medio ambiente y economía
Impactos en Detalle
Salud Aumento de la carga de morbilidad a la reducción de
la calidad de efluentes potable, sanitario.
Aumento de la carga de morbilidad por alimentos
contaminados como pescado o verduras.
Aumento de riesgo de morbilidad en un sector
irrigado por aguas residuales.
Medio
ambiente
Menor biodiversidad
Ecosistemas(Acuáticos) degradados
Olores desagradables y nocivos
Aumento de emisiones de gases de efecto
invernadero
Cambios físicos y bioquímicos en fuentes hídricas
Economía Disminución en la productividad industrial y agrícola
Aumento de la carga financiera sobre la asistencia
sanitaria
Elevados costos en el tratamiento de aguas
14
Bajos precios de propiedades allegadas a masas de
aguas contaminadas.
Fuente: [15]
2.5. La agricultura como usuaria de aguas residuales
Los agricultores se encuentran investigando fuentes hídricas no habituales, por
su contenido de nutrientes las aguas residuales domésticas son una opción
factible. El uso de aguas residuales en la agricultura, para esto se debe proceder
con precaución ya que la acumulación de microorganismos y contaminantes de
índole químico se puede presentar en los cultivos, productos de animales, el
suelo u otros recursos hídricos. [6]
El uso de las aguas residuales indirecto se refiere a previamente tratadas o
parcialmente tratadas en efluentes que se utilizan en el sector agrícola. [16]
2.6. Caracterización de las aguas
La caracterización de las aguas es un proceso organizado que nos permite
analizar por medio de conocimientos integrales y aplicando métodos estadísticos
las diferentes características que presenta el agua residual, tomamos la muestra,
medimos el caudal y señalamos componentes físicos, biológicos, químicos y
microbiológicos. [5, 17]
La caracterización de las aguas residuales se realiza según el propósito de la
misma el programa se coordina para seguir las instrucciones pertinentes y
condicionar las muestras de manera correcta, también se verifica que los
métodos estén estandarizados y los laboratorios consten con los equipos
necesarios para asegurar precisión y autenticidad en los resultados. [5, 18]
2.6.1. Solidos disueltos totales (SDT)
Los sólidos disueltos comprenden sales inorgánicas como calcio (Ca), Magnesio
(Mg), Potasio (K), bicarbonatos, cloruros, sulfatos, e irrisorias cantidades de
materia orgánica que se encuentran disueltas en el agua. Los SDT proceden de
manera natural, aguas residuales, efluentes urbanos e industriales. [19]
15
El aumento en la concentración de iones provoca un aumento en la
conductividad por lo que podemos utilizar este parámetro para definir la
concentración de solidos disueltos [5], aplicando la ecuación TDS = C.E.
(mmhos/cm)*700; unidad de medida ppm. [20]
2.6.2. Conductividad Eléctrica
Es la medida de desplazamiento para transportar la corriente eléctrica que nos
proporciona la concentración de iones presentes en los efluentes, cada especie
iónica es diversa y depende de la temperatura de muestra. [21]
En la tabla 4 se muestran las medidas de conductividad de aguas residuales a
temperatura ambiente, la conductividad es directamente proporcional a los
sólidos disueltos. [5]
Tabla 4: Conductividad de diferentes tipos de agua
Agua Destilada 0.055 µS/cm
Agua Ultra pura 0.5 µS/cm
Agua de la
Montaña
1.0 µS/cm
Agua Doméstica 500-800 µS/cm
Agua de Mar 56 mS/cm
Agua Salobre 100mS/cm
Agua Potable 1055 mS/cm
Fuente: [22]
2.6.3. Turbidez
Es una medida de las propiedades de dispersión de la luz de las aguas, esto se
debe a la presencia de solidos suspendidos, coloides entre otras partículas. La
turbidez en el agua afecta directamente los resultados positivos en el tratamiento
de aguas, causa malos olores y contaminación del entorno. [5, 23]
16
La turbidez tiene una gran importancia sanitaria, esta refleja un aproximado la
cantidad de materia coloidal, mineral y orgánica indicando que hay polución en
el agua residual. [24]
Los componentes que se manifiestan en el agua residual se cuantifican como
una medida necesaria para la eficacia del tratamiento que respalde una calidad
óptima para la reutilización de las mismas. [2] [25]
2.6.4. Temperatura
La temperatura a la que se encuentra el agua residual es más elevada que la
temperatura cuando se suministra debido a los procedimientos o tratamientos a
los que son sometidos los efluentes, el cambio climático puede variar la
temperatura entre el agua y el aire debido a sus calores específicos. [5, 20]
Este parámetro es importante ya que afecta directamente a la vida acuática,
reacciones químicas y velocidad de reacción, también la capacidad del oxígeno
de mezclarse con el agua, aminora la temperatura de esta. [20]
2.6.5. Alcalinidad
Es una medida de su actividad de neutralización de ácidos, la mayor parte de las
aguas residuales de origen doméstico, presentan cierto grado de alcalinidad esto
sucede por la cantidad de compuestos como carbonatos, hidróxidos o
bicarbonatos, cabe recalcar que es importante neutralizar las variaciones
radicales del pH en el proceso de tratamiento de efluentes. [18] [25]
2.6.6. Materia Orgánica
Se origina de sólidos y líquidos de la flora y fauna aunque también se debe a la
actividad del hombre relacionada con la sintetización de material orgánico, están
compuestos habitualmente por componentes orgánicos volátiles, que a
condiciones como temperaturas elevadas y presencia de oxigeno se oxidan a
CO2. [20]
17
2.6.7 pH
Es el término usado para medir y definir la concentración de iones hidrógeno en
una solución, este se define como el logaritmo negativo de la concentración de
ion hidrógeno. [23]
pH = −log10[H+] Ec. (1)
2.6.8. Oxígeno Disuelto
El oxígeno disuelto es imprescindible para la buena oxigenación de
microorganismos aerobio, es igual de primordial para otros organismos o formas
de vida; esta molécula presenta la característica de ligera solubilidad en el agua,
el oxígeno disuelto es un indicador del grado de ranciedad del agua, la presencia
del mismo disuelto en las aguas residuales determina el nivel de putrefacción
de estas por lo cual podemos especificar que esta es un prueba muy
concluyente. [20]
2.6.9. DBO
Es un indicador de la cantidad de materia orgánica biodegradable presente en
los efluentes, dependiendo de la cantidad de oxígeno disponible la
descomposición de un desecho orgánico tardara hasta que el desecho sea
totalmente consumido. [5, 20]
La demanda bioquímica de oxígeno es un procedimiento paulatino que se
desarrolla por etapas, la primera es la oxidación de compuestos orgánicos
carbonados de origen natural específicamente proteínas, grasas, hidratos de
carbonos y aleo animales. Esta se empieza urgentemente, el ensayo del DBO
de 5 días a 20℃ se oxida en un 70% y se abrevia DBO5 e indica la cantidad que
se consumió de oxígeno en la muestra de agua por microorganismos. [5, 20]
Es importante mantener en cuenta que el periodo de incubación se debe al
tiempo de flujo de los recursos hídricos como lagos y ríos, considerando también
la temperatura de 20℃ es un valor que representa el flujo de agua a una
velocidad que varía según el clima. [5, 20]
18
2.6.10. DQO
Demanda Química de Oxígeno es un parámetro que indica la medida de
contaminación determinando el contenido de material orgánico de una muestra
por medio de oxidación química. [5]
Esta mide la cantidad de oxígeno que se consume de materia orgánica de la
muestra; por acción de un agente oxidante recio, específicamente muestra el
contenido que aumenta la cantidad de oxígeno y disminuye los electrones
utilizando dicromato en una solución que produce actividad catiónica
manteniendo un pH menor que 7. [18]
Este análisis presenta la ventaja del tiempo, ya que su resolución no presenta
grado de complejidad y a su vez no considera tantas variables como es el caso
del DBO, los compuestos o materiales orgánicos son capaces de oxidarse a CO2
y H2O utilizando un compuesto oxidante en condiciones acidas. [18]
2.6.11. Dureza
Se presenta en áreas gruesas del suelo, que contiene piedras calizas, la dureza
se mide por la cantidad contenida de iones calcio y magnesio estén disueltos en
el agua. [26]
2.6.12. Sulfatos
Se definen como sales minerales que están disociadas en las aguas residuales
de origen industrial también se originan de fuentes naturales específicamente de
las aguas subterráneas. Siendo los iones sulfatos con menor grado de toxicidad,
en cantidades muy elevadas presenta consecuencias a la salud humana como
irritación en el tracto gastrointestinal, desequilibrio emocional y deshidratación.
[26]
2.6.13. Nitratos
Se define como sustancias inorgánicas que están conformados principalmente
por nitrógeno y oxígeno, se forman por la reducción de un material por agentes
externos ocasionada naturalmente de proteínas de flora y fauna se pueden
19
encontrar en varios alimentos, en los suelos, y en fuentes hídricas tanto
superficiales como subterráneas. [5]
2.6.14. Cloruros
Son típicos de las aguas residuales, se calcula que los seres humanos aportan
cada uno un rango aproximado entre 7 y 9 gramos, un aumento en las
concentraciones causaría dificultades en la calidad de fuentes hídricas
destinadas para el riego y también alteraría el sabor en aguas reutilizadas. Las
concentraciones habituales en aguas residuales crudas son alrededor de 30mg/L
y 200mg/L. Cabe recalcar que los métodos convencionales para tratar aguas
residuales no remueven los cloruros. [18]
2.7. Pretratamiento de efluentes residuales
Se definen como una serie de procesos operacionales que se encargan de la
disminución en la concentración de agentes contaminantes; principalmente
partículas suspendidas en las aguas residuales antes de ser vertidas en los
alcantarillados públicos u otros cuerpos receptores de efluentes. [17]
Según [27] las principales operaciones que son utilizadas en el tratamiento de
aguas se describen a continuación:
2.7.1. Sedimentación
Esta etapa del pretratamiento de aguas se basa en establecer condiciones de
reposo por acción de la gravedad, es decir remover partículas de solidos
suspendidos con mayor densidad que el fluido (aguas a tratar), esto procede por
medio de la variación cuantitativa de los pesos específicos entre las partículas y
el líquido a tratar. [27]
2.7.2. Cribado
Es la acción hacer fluir el agua pasando por un tamiz o reja, los cuales tienen el
objetivo de retener solidos de gran tamaño, es decir algún agente contaminante
como basura, papel, madera entre otros residuos sólidos. Esto se realiza para
20
evitar que dichos residuos sólidos con un tamaño considerable no perjudiquen o
causen averías en las bombas u otros equipos mecánicos. [5]
En el proceso de tratamiento de aguas residuales destacan dos tipos de cernido
puede ser grueso o fino y cada uno de estos se realiza por medio de tamices
variados en tamaños como se puede observar en la Fig.2 [23]
Fig. 2: Variedad de tamices para el tratamiento de efluentes residuales
Fuente: [23]
2.7.3. Flotación
Se define como una operación unitaria que es utilizada para realizar la
separación de líquidos o solidos que se encuentran contenidos en fase líquida.
Esto se hace con el fin de promover condiciones estáticas, para que, por medio
de la diferencia de densidad en los sólidos, estos se dirijan a la superficie donde
en la unidad de almacenamiento son removidos por la operación de desnatado.
[5, 23]
21
Las principales características de varios métodos de flotación, se pueden utilizar
dos técnicas diferentes para remover solidos suspendidos de agua residual. [28]
Sistema de flotación por aire disuelto. - La flotación por aire disuelto (DAF) se
da mediante la dispersión de burbujas finas al disminuir radicalmente la presión
en un flujo saturado con aire, para esto se requiere de un compresor, cámara
presurizada con sistema de recirculación para así darle fuerza al aire que se
disolverá hasta que la fase acuosa se sature. La corriente se transporta a la
piscina o contenedor para tratar, posteriormente se disminuye la presión para
que la liberación del gas (aire) genere microburbujas. [28] En el proceso DAF los
valores más comunes en el tamaño de las burbujas de aire oscilan entre 10 y
100 mm, una variable importante es la presión del compresor que circula aire a
presiones de 304 Kpa, 405Kpa por encima de la presión del flujo de agua. [28]
Sistema de flotación por aire inducido.- El proceso también denominado IAF
es mayormente utilizada para tratar aguas de producción, por este método se
aplican mediante la utilización de equipos que se encargan de monitorear como
aireadores y flotadores mecánicos en esta técnica el tamaño de las burbujas es
mayor a 1000 mm, por ende según el tamaño de las burbujas, se debe aumentar
la cantidad de aire que se inyecta en el proceso para que esté presente una
mayor eficiencia. [28]
Sistema de flotación diseño ICP.- Este proceso se diseñó para la separación
de contaminantes de efluentes, el cual se basa en una inyección de aire
atmosférico que emplea agua como fluido motriz. Este proceso inicia
recirculando el agua de la piscina, utiliza un sistema de bombeo con el fin de
enviar la corriente a un tubo Venturi abierto en la atmosfera, la variación de
velocidad que induce el gas (aire) que sigue hacia la salida del mismo, en
contacto con el agua se forman las microburbujas, su eficiencia es producto del
área interfacial como resultado de la gran cantidad de microburbujas con tamaño
que oscila entre los 150mm y 250mm. [28]
22
2.7.4. Filtración
Es una operación que consiste en hacer fluir el agua a flujo lento a través de un
lecho filtrante con características granulares; los más comunes son antracita,
carbón, arena, granate, zeolita entre otros. [5]
Cuando el fluido cruza por el medio filtrante, este funciona atrapando las
partículas suspendidas mediante mecanismos de intercepción, colado,
floculación y sedimentación, esto es por acción de la densidad, tamaño y forma
de las partículas debido a que estas no pueden pasar a través de los poros del
lecho filtrante y solo se quedan retenidas en las membranas del filtro siendo el
flujo de manera descendente, las partículas que presentan menor velocidad de
fluidez se adhieren al medio filtrante por las fuerzas electrostáticas que se
producen. [5]
2.7.5. Filtros
Los filtros presentan características similares a la de los tamices o cribas ya que
este funciona para separar el material suspendido que fluyen en las aguas
residuales y se quedan en el medio filtrante. [29]
Los cuales pueden presentar diversidad en forma y tamaño que se utilizan según
el respectivo líquido a filtrar, y la cantidad de solidos suspendidos según la
utilidad de la muestra y hasta que porcentaje se debe eliminar las partículas del
líquido. [5]
2.7.5.1. Tipos de filtros
Los tipos de filtro varían por el lecho filtrante, volumen de filtrado, porosidad y las
características fisicoquímicas que presente el líquido a filtrar, se enlistan los
filtros más relevantes y prácticos. [29]
Filtro prensa. - Se distingue por sus placas y marcos que se alternan con la tela
de filtrado lado a lado de las placas, el filtrado se produce por la tela y la parte
de la placa por medio de canales hacia afuera, los sólidos se acumulan en el
interior de los marcos formando algo denominado como torta. La filtración se
23
realiza hasta que la torta está formada completamente. [5] Se puede distinguir a
continuación en la Fig.3
Fig. 3: Filtro prensa de marcos y placas
Fuente [5]
Este filtro se diseñó para realizar varias actividades la cual es dirigida y
controlada manualmente, en el proceso de filtrado se permite el suministro de
suspensiones o soluciones que alimenta a las superficies de la prensa por su
conducto, se puede forzar dicha suspensión contra las paredes del filtro,
sucesivamente permite que el material filtrado siga por las paredes del filtro y
salga por su conducto al mismo tiempo atrapa o retiene sólidos en suspensión.
[5]
Filtros de Arena. - Son descritos como recipientes que en su interior se sitúa
una capa muy fina de grava con un rango de 7mm a 13mm en su superficie,
sobre un lecho de grava que es grueso es decir de 14mm a 25mm, con un
sistema de alcantarillado al final. Presentando también de arena, grava y material
arcilloso. [11]
El funcionamiento del filtro consiste en que el agua situada en la parte superior
del lecho sobre un deflector que esparce el agua, el líquido mucho más claro se
recibe por la parte inferior, este proceso es continuo hasta que se acumulan los
24
sólidos formando un precipitado ya que este obstaculiza el paso del agua por la
membrana del filtro, esto disminuye la velocidad de flujo y aumenta la presión.
Cuando se presenta demasiado precipitado de detiene el flujo y se lava con agua
en dirección contraria a su funcionamiento (Ascendente). En la Fig. 4 se puede
observar el cuadro donde se registran los parámetros de diseño de filtros de
arena intermitentes. [5]
Fig. 4: Criterios para el diseño de filtros intermitentes de arena
Fuente: [30]
Filtros de material litológico. - los filtros de material litológico pueden
presentarse en dos etapas, la fase acuosa y la fase sólida.
La fase acuosa en la cual se determinan propiedades como el pH, concentración
del suelo y la fuerza iónica del mismo los cuales determinan el comportamiento
químico del mismo, las variaciones de magnitud en las propiedades antes
mencionadas influyen directamente con la carga superficial y la formación de
25
coloides, la solución de los suelos SCV es normalmente diluida a la intensiva
lixiviación a la cual se exponen. [5]
La fase solida los suelos de carga variable (SCV) se ocasiona un desgaste
isoeléctrico, los coloide anfóteros se presentan cambios o alteraciones en la
composición es decir los minerales que conforman el suelo esto denotan en la
equivalencia del punto isoeléctrico y el pH, este puede presentar un pH básico o
un punto neutro. [5]
Existen variedades de filtros, estos presentan características diversas según el
material del cual forman al medio filtrante, pueden ser de silicato de aluminio,
carbón activado, celulosas, cascaras de frutas, hojas de árboles o en el caso que
amerite combinaciones o mezclas de los mismos para obtener un porcentaje de
filtrado más favorable esto mediante la conformación y mezcla de las capas,
optimizando el rendimiento y disminuyendo la magnitud de turbidez. [5]
2.7.5.2. Material litológico
La litología es la parte de la geología que se encarga del estudio de las rocas,
específicamente le tamaño del grano, las partículas y sus características físicas
y químicas [31], según el enfoque litológico, los materiales se clasifican de
acuerdo a su formación diferenciándose rocas de suelo; el suelo como material
litológico está formado de manera residual con características de roca
meteorizada , con estructura geológica y propiedades fisicoquímicas. [32]
2.7.5.3. Lecho filtrante
Se denomina así al material que se introduce en los filtros, el cual tiene la función
de absorber y retener los sólidos suspendidos que se encuentran en un líquido,
los recibe por acción de la gravedad controlando la velocidad de flujo; obteniendo
así un líquido resultante mucho más claro con un porcentaje menor de turbidez.
[5]
26
La arena silícica, la zeolita y antracita generan resultados favorables en el
proceso de filtrado de agua; mientras más grueso es el medio filtrante
permitiendo un rango de tiempo mucho mayor. [33]
“El lecho filtrante es conveniente su aplicación ya que presenta más eficiencia
que los sedimentadores, por la gran superficie específica y disponible de la
grava” [34]; cuando se realiza un proceso largo se encarga de remover partículas
inertes y también microorganismos. [34]
El lecho debe cumplir con los siguientes requerimientos [5]:
1. Mínima resistencia al flujo y óptima capacidad de retener sólidos en
suspensión.
2. Condiciones de proceso como presión, temperatura, velocidad de flujo,
pH.
3. Debe presentar facilidad de ensamblaje y desarme para limpieza y
mantenimiento.
4. Ser químicamente inerte y no presentar toxicidad
5. Adaptación al equipo de filtración.
6. Relación Vida útil /Bajo costo.
Los medios principales están conformados por arena, tierra de diatomeas,
carbón activado, antracita se pueden combinar aleatoriamente para presentar
mayor eficacia y buenos resultados. [5]
Antracita. - Material de origen mineral con un peso específico <1.55 su
particularidad principal es que presenta una dureza que es muy resistente al
desgaste por fricción que ocurre por acción del lavado. [35, 36]
La capacidad de retención de solidos de este material es considerablemente
mayor que un lecho filtrante fabricado con arena, emplea tamaños que oscilan
entre 0.6 y 1.4mm , los tamaños menores a 0.6 son recomendados cuando el
medio filtrante es de un solo material en el caso de utilizar una combinación es
recomendable emplear tamaños que oscilen entre 0.8 y 1,4mm. [5]
Grava.- Este es un complemento principal del filtro, se coloca sobre el sistema
de drenaje presentando las funciones soportar el lecho durante el proceso de
27
filtración y racionar de manera uniforme el agua requerida para lavado [5]. En la
siguiente tabla 5 se muestran la profundidad de los medios filtrantes. [37]
Tabla 5: Profundidad de medios filtrantes
Lecho Profundidad
(cm)
Tamaños
Inch. Inch.
Fondo 1.5-12.0 2-1 2
12 − 1
12
Primero 7.5-7 1-11
2 112 −
3
4
Segundo 7.5 2
12 − 1
12
3
4− 1
12
Tercero 7.5 2
12 − 1
12 1
12 −
3
16
Gravilla 7.5 2
12 − 1
12
3
16−
3
32
Fuente: [5]
Arena.- Este es usado como un medio filtrante para varios filtros en los cuales
se considera el tamaño del grano expresado en mm, el coeficiente de
uniformidad que sirve para determinar el tamaño del grano el cual las partículas
con un menor diámetro conforma el 60% de la arena en peso y el tamaño en
efectivo, el peso específico en gr que pesan un cm3 el cuerpo no deberá ser
menor a 2.60. [5, 36]
2.7.5.4 Porosidad
Es una propiedad de los materiales para absorber volúmenes en los poros
abiertos por volumen total del material litológico. [5]
La porosidad total se define por el número de vacíos por unidad de volumen total
de la roca, por lo cual se deben medir cuantitativamente los espacios vacíos
abiertos y cerrados, accesibles o no [38]. Esta depende de la composición,
textura, estructura del material litológico por lo general su rango de variación es
de 0.4-0.6 y se considera valor elevado a 0,9 cuando los suelos están ricos de
residuos orgánicos. [5]
28
el contenido de arcilla en aumento favorece la porosidad , el tamaño del poro
puede afectar la retención o captación de agua, los poros grueso poseen una
capacidad de retención menor pero pueden utilizarse para la filtración liquida en
situaciones de saturación, los poros finos poseen un capacidad de absorción
mayor. [38]
La técnica habitual para determinar la porosidad se realiza por un método de
imbibición, que se explica como la acción de sumergir el medio poroso al fluido
para que este penetre los poros, la muestra presenta pesadez antes y después
de la inhibición, ambos pesos juntos más la densidad del fluido nos ayuda a
determinar el volumen del poro. [38]
29
CAPITULO III
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
3.1. Preparación de los medios filtrantes
Se obtuvieron 4 lechos en total, la preparación de los lechos filtrantes se realizó
mediante las etapas descritas a continuación:
3.1.1. Etapa 1: Recolección del material litológico
La recolección se realizó en la comuna Chongón en las zonas cercanas al
colegio, este material presento unas características de suelo arcilloso y arenoso
presentando un color amarillezco con características minerales en este caso
sílice, también se extrae material litológico del sector norte de la ciudad de
Guayaquil específicamente en la Alborada tercera etapa, que presenta
características de absorción de nutrientes ricos para la flora presente en el
sector. Este material se extrae con la ayuda de una piqueta o una pala
removemos el suelo y obtenemos una cantidad razonable, que se almacena en
bolsas o envases de plástico para llevarlo posteriormente al laboratorio donde
trabajaremos, se extrae alrededor de 4kg de cada muestra del material litológico.
3.1.2. Etapa 2: Acondicionamiento del material litológico
En esta etapa se realizan las operaciones de tamizado y triturado de las
muestras de material litológico recolectado, el objetivo es la formación del lecho,
para esto se procede con una mínima fragmentación del material litológico
empleando un martillo (Fig.5), con la finalidad de favorecer a la fractura material,
evitando el rompimiento de los minerales originales. El material obtenido por la
pulverización después de la recolección de las muestras y caracterización de las
mismas, procederemos a realizar el tamizado hasta obtener una fina fracción del
material litológico esto se realizó empleando tamices de 600µm y 250µm de
diámetro (Fig.6A) posteriormente se almaceno para la preparación del lecho
filtrante, se utilizó una máquina tamizadora vibratoria. (Fig.6B), se obtiene un
material mucho más fino y acondicionado para el proceso de formación del lecho
con las diferentes muestras de suelos (Fig.6C).
30
Fig. 5: Material litológico triturado del sector de Chongón
Fuente [39]
A B
C
Fig. 6: Equipos utilizados para la operación de tamizado del material
litológico. A) Tamices de 600 µm, 250µm. B) Tamizadora vibratoria C)
Muestras de suelos tamizadas. Fuente: [39]
3.1.3 Etapa 3: Formación del lecho
31
Para la elaboración del lecho filtrante, se prepara la pasta mezclando el material
litológico tamizado (≤600µm), esto se realiza mezclando el material más fino con
una pequeña cantidad de agua destilada para obtener una pasta que presente
homogeneidad, consistencia, que presente una viscosidad elevada y sea
maleable o moldeable como se ilustra en la Fig.7.
A B
Fig. 7: Preparación de la pasta empleando el material litológico tamizado;
A) Recolectado en Alborada; B) Recolectado Chongón
Fuente: [39]
Posteriormente la mezcla preparada se introduce en el embolo de una inyección
de 60ml que se utiliza para darle una estructura vermiforme es decir forma de
spaghettis (Fig.8A). El siguiente paso es el corte milimétrico es decir para el
material fino 5mm (Fig.8B) y el material más grueso 10mm (Fig.8C).
32
A
B C
Fig. 8: Material litológico A) Forma de spaghettis B) Cortes de 5mm C)
Cortes de 10mm
Fuente: [39]
3.1.4 Etapa 4 Secado y Calcinado de los
lechos
En esta etapa el material fino y grueso se dejó secar por 24 horas a temperatura
ambiente (Fig.9), para la eliminación de la humedad residual se puede utilizar
también una estufa que trabaje a una temperatura de 100℃ durante 50 minutos.
33
Fig. 9: Material litológico secando
Fuente: [39]
Para el calcinado del lecho primero se seleccionan los pedazos que presentaron
las mejores condiciones como los es la forma y tamaño correcto, después se
calcinan en un equipo térmico o Mufla que suministre calor a una temperatura
alrededor de los 600 ℃ durante un periodo de 3 horas (Fig.10)
A B
Fig. 10: A) Material litológico en el interior de la mufla; B) Material litológico calcinándose
Fuente: [39]
34
3.2. Caracterización del material litológico
Se describe la caracterización, análisis de las muestras del suelo y del lecho.
3.2.1. Componentes del material litológico
Se realizó un análisis químico para determinar cuantitativamente los principales
elementos que constituyen las muestras de suelos recolectadas en el sector
Alborada y la comuna Chongón, datos que fueron registrados en la memoria
técnica de geo información a nivel nacional [40] donde consta las
caracterizaciones de los suelos y los componentes químicos presentes en los
mismos.
3.2.2. Tamaño promedio del grano presentes en el lecho filtrante
Después de la formación de los lechos se determinó su tamaño de grano
promedio, realizando un muestreo de 50 unidades de los 2 tamaños del lecho (5
y 10 mm) de cada material grueso y fino utilizando una herramienta como el
calibrador vernier se midió la altura y diámetro de cada grano.
Se calculó el promedio, desviación estándar, intervalo más confiable y el
porcentaje de coeficiente de variación aplicando las siguientes ecuaciones:
X̅ = ∑𝑋
𝑛 Ec. (2)
S = √∑(X−X̅)2
n−1 Ec. (3)
IC = X̅ ± t ∗S
√n Ec. (4)
%Cv =S
X∗ 100% Ec. (5)
3.2.3. Porosidad
Para la obtención del valor de esta variable, se realiza por medio del volumen de
agua retenido por una muestra del lecho o medio filtrante, primero se pesa en
una balanza analítica la muestra seca y posteriormente la saturamos el lecho
35
agregándole una cantidad de agua, cuando la muestra se satura los espacios de
los poros se ocupan, a excepción de una minúscula parte que es donde al aire
se queda encerrado, por medio de esto el volumen del agua es saturado y
utilizamos es como valor de porosidad.
Para poder realizar este proceso utilizamos 30gr del lecho de 5mm y 30 gr del
lecho de 10mm de ALBORADA (PQ; GD) y realizamos el mismo procedimiento
con el lecho CHONGÓN (PQ; GD) ubicamos cada lecho seco en una capsula de
porcelana y luego pesamos, posteriormente saturamos con agua destilada,
dejamos en reposo por un periodo de tiempo (24 horas) después eliminamos el
exceso de agua, pesamos el lecho húmedo en una balanza analítica(Marca );
determinando la variación en el peso del lecho por las diferencias de masa y
usando este cálculo obtenemos la porosidad.
%ε = Vaguaabsorbida
Vmuestrax100 =
grLecho Humedo−grLecho Seco
Vmuestra (Ec.6)
3.3. Caracterización de muestras de agua residual
A continuación, se describen los procedimientos necesarios para la
caracterización del agua residual:
3.3.1. Recolección de agua residual
Las muestras de agua residual que serán sometidos a tratamiento son
recolectadas del rio Guayas a la altura del malecón 2000.
Se realizó un muestreo simple tomando 3 muestras en recipientes de plástico de
5L Y 3.5L que fueron lavados. Se separó una de las muestras del recipiente de
plástico de 3.5L que son destinadas para los estudios o análisis previos; en el
caso del DBO se procedió con precaución para evitar los cambios en la
composición de la muestra antes de analizar.
Las muestras de 5L fueron llevadas a refrigeración para evitar el crecimiento de
microorganismos como el moho y evitar la descomposición de la muestra.
36
3.3.2. Análisis de muestras de agua residual
Posteriormente después de la recolección de las muestras se realizan los
análisis fisicoquímicos, usando STANDARD METHODS FOR THE
EXAMINATION OF WATER, SEWAGE AND INDUSTRIAL WASTE 23RD
EDITION, los estudios fisicoquímicos que se realizaron fueron: pH, temperatura,
conductividad, turbidez, alcalinidad, sulfatos, nitratos, dureza, solidos totales y
DBO. [41] [42]
En el Anexo 1 podemos distinguir varias imágenes de las pruebas realizadas en
la etapa de análisis o caracterización de las muestras de aguas residuales, las
pruebas realizadas son descritas a continuación:
pH y temperatura
Método: 4500-HB PEE/UCC/LA/02
Materiales:
pHmetro(Fig.11)
Vasos de precipitación de 250ml
Muestras de agua
Piseta
Procedimiento:
Para poder realizar estos análisis, primero debemos calibrar el pHmetro con 3
soluciones buffer de pH 3, 4,7 los cuales presentan coloración (verde, roja, azul)
sucesivamente se lavó el sensor después se lo introdujo en 30ml de agua para
registrar su valor y temperatura estabilizando el equipo para posteriormente
empezar analizar las muestras de agua antes y después del filtrado por el
material litológico.
37
Fig. 11: pHmetro HQ 30D
Fuente: [39]
Conductividad
Método: 2510 B PEE/UCC/LA/01 [41]
Materiales, Equipos y Reactivos:
Conductímetro (Fig.12)
Vaso de precipitación de 100ml
Muestras de agua
Piseta
Procedimiento:
1. Se enciende el equipo
2. Se establece que el equipo se encuentre estable
3. Se calibra el equipo
4. Colocamos una muestra en el vaso de precipitación
5. Se introduce la celda en la muestra y posteriormente se lee el valor de
conductividad.
38
Fig. 12: Conductímetro
Fuente: [39]
Alcalinidad
Se realizó por volumetría de neutralización utilizando ácido clorhídrico 0,01M
según indica el Método 2320 B S.M.
Materiales, Equipos, Reactivos:
Materiales empleados:
Matraces volumétricos de 1000 mL KIMAX
Matraces volumétricos de 100 mL KIMAX
Cápsula de porcelana
Soporte con pinza para bureta
Bureta de 25 ml KIMAX
Matraces Erlenmeyer de 125 mL SIMAX
Goteros
Reactivos:
Agua destilada
Fenolftaleína (0,25%)
Azul de bromofenol (0,04%)
Solución de HCl 0.01N
Solución de Na2CO30.01N
39
Procedimiento:
Etapa 1: Estandarización del Ácido Clorhídrico
1. Se coloca 15mL de la Solución de Na2CO30.01N en un matraz Erlenmeyer
de 125mL.
2. Se agrega 3 gotas de azul de bromofenol, (la muestra toma una
coloración azul).
3. Se titula con la solución de HCl 0,01 N hasta que cambia su coloración a
un tono verde.
4. Se calcula la normalidad aplicando la siguiente ecuación:
𝑁2 =V1∗N1
V2 Ec. (7)
Dónde:
V1 = Volumen de la solución de Na2CO3
N1 = Normalidad de la solución de Na2CO3
V2 = Volumen de la solución de HCl gastado de la solución
N2 = Normalidad de la solución de HCl
Etapa 2: Titulación
1. Colocar 5mL de muestra de agua en un matraz Erlenmeyer de 125 mL.
2. Se agregan 3 gotas del indicador de fenolftaleína al 0,25%
3. Iniciar la titulación, adicionándole pequeñas cantidades de HCl a 0,01N
4. Registrar y controlar el volumen de HCl adicionado y el pH
correspondiente
5. Agregar el HCl a 0,01 N hasta un vire incoloro (1er punto de inflexión, V1)
6. Se agregan 3 gotas de azul bromofenol 0,04% al matraz tomando una
coloración azul sucesivamente
7. Seguir la titulación adicionando pequeñas cantidades de HCl a 0,01 N se
registra el volumen adicionado y el valor del pH.
40
8. Continuar la titulación hasta que se tome una coloración verde (V2);
completar con dos puntos más para el registro de pH.
Cálculos:
Para determinar la alcalinidad aplicamos la siguiente ecuación:
Alcalinidad (mg
L ) CaCO3 =
Vt∗N∗5000
(mL muestra) Ec. (8)
Dónde:
Vt= Volumen total de HCl 0,01N utilizado en total en la titulación
Vtig. 13) = V1 + V2 Ec. (9)
N= Normalidad del ácido clorhídrico estandarizado
Vt= 6mL
Turbidez
La turbidez del agua se mide mediante el método nefelométrico 2130 B
Materiales, equipos y reactivos:
Agua destilada
Muestra de agua
Turbidímetro Colorímetro DR/890 (Fig.13)
Piseta
Procedimiento:
1. Encendemos el equipo.
2. Lo programamos insertando el código 95 que se identifica como la
turbidez
3. Calibramos el quipo.
4. Colocamos el blanco, recipiente (tubo de ensayo) capacidad de 10mL con
agua destilada.
41
5. En el otro recipiente se coloca la muestra a analizar y se procede a leer
6. El equipo también indica la temperatura de la muestra.
Fig. 13: Turbidímetro Colorímetro DR/890
Fuente: [39]
Dureza
El método empleado en la medición de la dureza es el 2340-B
Materiales, equipos, reactivos:
Negro de eriocromo marca Riedel de Haen
Cloruro de sodio(NaCl) marca Riedel de Haen
Cloruro de amoniaco (NH4Cl) marca Riedel de Haen
Amoniaco 25% PA, marca Riedel de Haen
Ácido etilendiaminotetraacético sal disódica, marca J.T. BAKER
Cloruro de magnesio hexahidratado(MgCl2. 6H2O) Marca MERCK
Hidróxido de amonio 3N
Carbonato de calcio CaCO3
Muestras de agua para analizar
Matraces volumétricos de 1000 mL
Matraces volumétricos de 100 mL
Soporte con pinzas para bureta
42
Bureta e 25mL
Matraces Erlenmeyer de 125mL
Vasos de precipitación de 50mL
Procedimiento:
Etapa 1. Preparación de la solución amortiguadora
Se pesa 6,75gr de cloruro de amoniaco utilizando una balanza analítica de
precisión ±0,0001 gr. Posteriormente añadimos la sal cuidadosamente en un
vaso de precipitación de 250mL.
En el vaso de precipitación y por medio de una campana de extracción de gases
se añade 57mL de Hidróxido de amonio concentrado en el vaso de precipitación,
se agita con una varilla de vidrio para poder disolver la sal en el líquido, el cual
permanece en la campana después tomamos la solución de cloruro de amoniaco
y la trasladamos a un matraz volumétrico de 100mL.
Se diluye con agua destilada hasta el aforo y utilizando un papel indicador,
verificar que el pH de la solución amortiguadora esté ligeramente arriba de 10.
Etapa 2. Preparación de la solución de EDTA 0,01M
En un vaso de precipitación previamente lavado y secado pesamos 3,7224gr. De
EDTA o sal disódica dihidratado y 0,1gr de MgCl2. 6H2O en una balanza analítica
de precisión, posteriormente se disuelve los sólidos y se transfiere la solución a
un matraz volumétrico de 10000mL y se completa el aforo con agua destilada.
Etapa 3. Medición de las muestras
Medimos la cantidad de 50mL de la muestra a analizar en un matraz Erlenmeyer
de 125 mL, 2mL de buffer pH 10 y una cantidad minúscula del indicador Negro
eriocromo T que presenta un color purpura, se titula la solución de EDTA hasta
que la muestra presenta una coloración azul marino.
Cálculos:
Se calcula la dureza total de la muestra por medio de la siguiente ecuación:
43
Dureza total mgCaCO3/L =mLEDTA∗NEDTA∗PeqCaCO3∗1000
Vmuestra Ec. (10)
Dónde:
mLEDTA = Volumen de EDTA usado
NEDTA = Normalidad del EDTA (0,01N)
𝑃𝑒𝑞𝐶𝑎𝐶𝑂3= Peso equivalente del 𝐶𝑎𝐶𝑂3 (
50𝑒𝑞
𝑔)
Vmuestra = Volumen de muestra utilizado(mL)
Sulfatos
El análisis de sulfatos se puede realizar en las aguas naturales con un amplio
rango de concentraciones.
Método: 8051 HACH Sulfato rango 2-70mg/LSO42− [43]
Materiales, equipos y reactivos:
Viales o tubos de ensayo
Adaptadores Vaso químico
Espectrofotómetro
Guantes
Sulfa Ver 4(Polvo de sulfato)
Procedimiento:
1. Se revisa y verifica que el equipo (espectrofotómetro) se encuentre en
buen estado, posteriormente se programa con el código 680 de sulfato
(HACH 8051); para iniciar la medición con el equipo.
2. Se vierte el líquido en los viales (según el número de muestras y el blanco
a utilizar), tomando como medida 10mL del vial.
3. Se añade el contenido de un reactivo Sulfa Ver 4(polvo de sulfato), se
tapa y se agita por 30 segundos hasta que se homogeniza la muestra.
4. Se limpian los viales con papel toalla para eliminar marca de huellas.
44
5. Se programa el reloj interno del equipo(espectrofotómetro) por un tiempo
de 5 minutos como periodo de reacción de la muestra, si es necesario
realizar una disolución el tiempo de reacción es de 10 minutos.
6. Cuando se acabe el tiempo de 2 minutos, el equipo mostrara la magnitud
de la medición resultante, la cual se registrará en lectura de mg/L de SO42−.
Nitratos
Método: 8171 HACH Reducción de cadmio rango 0.1-10mg/L NO3 − N [44]
Materiales, equipos y reactivos:
Viales
Adaptadores
Vasos de precipitación
Espectrofotómetro (Fig.14)
Nitra ver 5 (polvo de nitrato)
Requisitos de las muestras:
Las muestras deben ser mantenidas en un ambiente idóneo para que no sufran
alteraciones de ningún tipo.
Las muestras deben preservar una temperatura alrededor de 4°C, ya que si no
es el caso puede alterarse la lectura de resultados.
Para la medición de cada muestra es necesario que el equipo se encuentre
calibrado (espectrofotómetro) a 0.00mg/L de NO3 − N, y revisar que el vial no
contenga ningún rastro de impureza o contaminante.
Procedimiento:
1. Se revisa y verifica que el equipo (espectrofotómetro), se encuentre
en buen estado, posteriormente se programa el cual es 353N, nitrato
HR (HACH 8171) de esta manera se inicia la medición.
45
2. Se vierte el líquido en los viales (según el número de muestras y el
blanco a utilizar), tomando como medida 10mL del vial.
3. Se añade el contenido de un reactivo Nitra ver 5(polvo de nitrato), se
tapa y se agita por 30 segundos hasta que se homogeniza la muestra.
4. Se limpian los viales con papel toalla para eliminar marca de huellas.
5. Se programa el reloj interno del equipo(espectrofotómetro) por un
tiempo de 2 minutos como periodo de reacción de la muestra, si es
necesario realizar una disolución el tiempo de reacción es de 10
minutos.
6. Cuando se acabe el tiempo de 2 minutos, el equipo mostrara la
magnitud de la medición resultante, la cual se registrará en lectura de
mg/L de NO3 − N.
Fig. 14: Espectrofotómetro 4802 UV/VIS DOUBLE BEAM
Fuente: [39]
3.4. Pruebas de filtración
Para poder realizar las pruebas de filtración se realizó una serie de variedad de
filtros utilizando los lechos preparados en el laboratorio, los cuales fueron
estructurados con variedad de tamaños y de dos materiales litológicos utilizados
en la investigación (Alborada y Chongón), sucesivamente se describen las
etapas realizadas durante la filtración experimental de la muestra de agua:
3.4.1. Ensamblaje del sistema de filtración
46
Después de determinar la calidad del agua del río Guayas, se empezó a instalar
el sistema de filtración lento.
Para el ensamblaje de los filtros se usan columnas de vidrio de 2,5cm de ancho
y 72cm de largo provistas de una llave que da paso en la parte inferior, las cuales
se ubicaron sobre un soporte universal.
En el interior de la columna se dispone del material filtrante (el lecho) ubicado
desde la parte superior hasta que se tope con el fondo como se puede ver en la
Fig.15 Para esto se coloca una malla con orificios de 2 mm de diámetro, para
que ayude como soporte a la grava. Después se añade una capa de 2cm de
grava que sostiene al lecho, sucesivamente se traslada el lecho al interior de la
columna y finalmente se ubica una malla de plástico en la parte superior con el
objetivo de evitar que el flujo del agua de la muestra a tratar se circule
preferencialmente por ingresar al sistema.
La grava antes de ser utilizada se sumergió en una solución de ácido clorhídrico
(HCl) a 0,1N; esto lo hacemos con el fin de eliminar los residuos de materia
orgánica que se encuentran en la misma, posteriormente se lava varias veces
con agua hasta obtener un pH neutro, luego se limpia utilizando agua destilada
y se procede a secar en una estufa por un periodo de 2 horas a una temperatura
de 125 °C. Como se ilustra en la Fig.16.
47
Fig. 15: Columna de filtración lenta con material litológico
Fuente: [39]
A B
Fig. 16: A) Grava en HCl por 24horas; B) Grava secándose en la estufa
Fuente: [39]
48
Se ensamblaron 6 configuraciones para el diseño de los filtros que se detallan
en la tabla 6, en donde se detalla el tipo del material litológico del medio filtrante
y el tamaño del grano del lecho.
Tabla 6: Modificación del tipo y tamaño del lecho de los sistemas de
filtración
Filtro Clave Especificación
Alborada grande ALBO-GR 100gr. de lecho de 10mm
Alborada pequeño ALBO-PQ 100gr. de lecho de 5mm
Chongón grande CHON-GR 100gr. de lecho de 10mm
Chongón pequeño CHON-PQ 100gr. de lecho de 5mm
Alborada grande pequeño
ALBO-GP 50gr. de lecho de 10mm (parte superior del filtro);50gr. de lecho de 5mm (parte inferior del filtro)
Alborada pequeño grande
ALBO-PG 50gr. de lecho de 5mm (parte superior del filtro);50gr. de lecho de 10mm (parte inferior del filtro)
Fuente: [39]
Cada sistema de filtración está compuesto de 100gr del material litológico
acondicionado, tratado y compactado (lecho) el cual es equivalente a una altura
de 35 cm. En el caso de la configuración se aplicó el uso de dos tipos diferentes
de lecho se emplea una malla de 2mm de diámetro, que se encarga de separar
los dos lechos y distribuir el flujo de agua por todo el material hasta llegar a la
llave de paso.
3.4.2. Pruebas con material litológico
Cuando el sistema de filtración se encuentre instalado, se deja fluir lentamente
a través de una columna, el agua sin tratar se deja reposar en el filtro durante un
periodo de 10 min (tiempo de retención) antes del empezar el proceso de filtrado.
Una vez iniciado el filtrado, se recolectan las muestras de agua filtrada; las 4
primeras muestras cada una de 10mL, después 4 muestras de 20mL,
sucesivamente 4 muestras de 50mL, hasta llegar a las 4 muestras finales de
100mL, hasta que la turbidez del agua filtrada se mantiene constante durante el
proceso de filtración.
49
El flujo y la carga hidrostática se mantienen constantes mientras se realizan las
pruebas; al agregar continuamente el agua cruda a la columna de filtración, se
debe conservar una altura constante de 15 cm al nivel del lecho.
Para las pruebas iniciales se realizaron 4 ensayos experimentales con los dos
suelos (Alborada y Chongón); y los dos tamaños que presentan los lechos (5mm
y 10mm), de los cuales se analizó y seleccionó el lecho que proporcionó la mayor
remoción de turbidez, es cuando se experimentó mezclando las configuraciones
con dicho suelo, considerando la cantidad de masa de lecho, la mezcla o
combinación de tamaño en el interior de la columna de filtración.
3.5. Dimensionamiento del filtro
Se realizó el dimensionamiento del filtro siguiendo las recomendaciones y
ecuaciones encontradas en las bibliografías técnicas correspondientes al tema,
desarrollándolo de la siguiente manera:
3.5.1. Caudal o flujo de filtración
Después de los ensayos de filtración, determinamos el caudal por medio de los
datos obtenidos con la metodología experimental. Esto se calculó siguiendo la
ecuación (12) dividiendo el volumen del agua recolectada entre el tiempo que
tomo para su recolección.
𝑄 =𝑉
𝑡 Ec. (12)
Usando el dato del diámetro de la columna del sistema de filtración (D) se
obtuvo el valor del área transversal (𝐴𝜏) de la misma utilizando la ecuación
(13):
𝐴𝜏 =𝜋∗𝐷2
4 Ec. (13)
Para calcular la velocidad de filtración (v) lo hacemos mediante la ecuación
(14):
50
𝑣 =𝑄
𝐴𝜏 Ec. (14)
Los filtros de acción lenta son diseñados para cumplir con ciertas necesidades
para la comunidad por un plazo estimado de 7 a 10 años, muchos de estos
sistemas pueden adaptarse a un periodo de mayor tiempo (20 años). Para el
diseño de la capacidad de un filtro lento es recomendable estimar la cantidad de
la población en el sector determinado a un plazo a futuro. La información es vital
para estimar el crecimiento de la población se puede obtener de los datos de
fuentes locales o base de datos, censos realizados por el gobierno,
organizaciones u instituciones [45]. Si asumimos como referencia la población
actual para un grupo de 800 personas en un lugar determinado (PA) y una tasa
de crecimiento anual del 4%, en un periodo de 7 años en el futuro se puede
determinar usando un factor de crecimiento poblacional (FCA) según la
bibliografía lo recomiende [5]. La población futura (PF) para el periodo de 7 años
se calcula usando la ecuación (15):
PF = PA ∗ FCA Ec. (15)
El flujo neto, para comunidades de menor tamaño debe estar entre 60 y
200L/had.día por lo que se considera el valor de 55L/had.día y partiendo del
mismo se calcula la demanda diaria total [46], aplicando la siguiente ecuación:
DDT = PF ∗ consumo Ec. (16)
En el diseño de un tanque de almacenamiento de agua purificada y su sistema
de distribución, se calcula la demanda por hora (DH) o el flujo máximo por hora,
esta demanda considera los picos diarios o flujos para garantizar el sustento del
recurso vital sin suspensión. La demanda por hora se determina como un 20%
de la demanda diaria. [46]
DH = 0,2 ∗ DDT Ec. (17)
3.5.2. Área de la columna de filtración
Para calcular el área del lecho (Medio filtrante) se utiliza la siguiente ecuación:
51
A =Q
v Ec. (18)
El área es equivalente a la cantidad de agua que circula por el filtro por cada
hora dividida para por la velocidad de agua que pasa por el lecho.
Es recomendable que el diseño del filtro se haga una relación de 1/4 largo por
ancho [47], siendo el largo equivalente a:
L = 2,3 ∗ ancho Ec. (19)
El ancho del filtro se calculó a partir de la ecuación 20
𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 = √𝐴𝑟𝑒𝑎
2,3 Ec. (20)
3.5.3 Contenedor del filtro
El contenedor consiste en 4 partes las cuales son:
El agua de reservorio por encima del lecho filtrante
Lecho material filtrante
Sistema de descarga y drenaje
Control del filtro
El nivel del agua por encima del lecho brinda un tiempo de espera para que el
agua cruda pueda producirse la sedimentación; esto le da a un cabezal de agua
mayor resistencia que el lecho filtrante. La profundidad más adecuada es de 1,5
m o más por encima del filtro [47].
Las paredes del reservorio deben extenderse 0,2 a 0,3 m por encima del nivel
del agua como ilustra la Fig.17 a esto se le denomina área libre o área disponible,
el diseño del contenedor debe brindar espacio para un lecho con medidas entre
1 a 1,4m de espesor. Es recomendable esta medida ya que permite la duración
del filtro por un periodo largo antes de que se deba renovar el lecho. [45]
52
Fig. 17: Diseño de construcción del lecho
Fuente: [45]
Se determina el área del lecho con la siguiente ecuación:
Área del lecho = Longitud del filtro ∗ Ancho del filtro Ec. (21)
El volumen se calculó aplicando la siguiente ecuación:
Volumen del lecho = Área del lecho ∗ Altura del lecho Ec. (22)
Debajo del lecho encontramos el sistema de drenaje o descarga con el fin de
mantener el lecho filtrante, produciendo una tasa de filtración uniforme y se
encarga de la recolección del agua filtrada. Para el soporte del filtro se utiliza
varias capas de grava de diferentes tamaños, es recomendable el uso de más
de cuatro capas de grava con los tamaños ilustrados en el Fig.18.
El sistema colector se encuentra debajo de las varias capas de grava que actúan
como soporte, el sistema de drenaje o descarga puede ser de ladrillo concreto
poroso o losas prefabricadas, se debe mantener una distancia entre los drenajes
laterales de aproximadamente 2m como máximo permitido, si se está empleando
drenaje de ladrillos el espacio recomendable es de 2 a 4mm y la distancia entre
espacios es de 0,15m. [5]
53
El ingreso del efluente a la estructura debe asegurar que el lecho no sea alterado
por el ingreso del agua, si el agua afecta la capa de materia orgánica que se
formó sobre el lecho; el proceso de filtrado no funcionara eficazmente [5].
Fig. 18: Sistema de soporte del lecho
Fuente: [45]
3.5.4 Suministro del lecho filtrante
En los ensayos de filtración se determinó la altura de cada lecho (identificado por
su tamaño), el lecho de 5mm represento el 65% de la altura total, el lecho de
10mm un 35%; se calculó la altura del lecho que se ubica en el interior del filtro.
[5] Aplicando las ecuaciones a continuación:
Altura perteneciente al lecho Alborada 5mm = 0,65 ∗ 1,2m Ec. (23)
Altura perteneciente al lecho Alborada 10mm = 0,35 ∗ 1,2m Ec. (24)
El volumen de cada tamaño del lecho se procedió a calcular empleando las
ecuaciones a continuación [5]:
Volumen lecho Alborada 5mm = 0,65 ∗ volumen del lecho Ec. (25)
Volumen l lecho Alborada 10mm = 0,35 ∗ volumen del lecho Ec. (26)
54
3.5.5 Masa necesaria de lecho filtrante
Resulta partiendo del cálculo de la porosidad que se describe en el ítem 2.7.5.4;
se toma un promedio de la masa del lecho seco, volumen del lecho húmedo y el
volumen del material de los tamaños 5mm y 10 mm perteneciente a cada tipo de
lecho, para calcular el volumen del lecho sin humedad residual(seco) aplicamos
la siguiente ecuación:
Vlecho seco = vol.lecho humedo− vol.poro Ec. (27)
Después de calcular el volumen del lecho seco, se obtuvo el valor de la
densidad valiéndose de la siguiente ecuación:
ρlecho =masa lechoseco
volumen lechoseco Ec. (28)
Nota: se aplica para cada tipo de lecho filtrante
Sucesivamente al obtener la variable del volumen y conocer la densidad
resultante del lecho se calculó la masa necesaria de cada tamaño de lecho con
la ecuación (29).
Masalecho = ρlecho ∗ volumen lechoseco Ec. (29)
3.5.6 Tiempo de retención
El tiempo de retención entre el agua cruda y el lecho (medio filtrante) se
determinó utilizando la siguiente ecuación:
Tiempo de retención =Longitud del lecho
v Ec. (30)
55
CAPITULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se desea en esta investigación con metodología experimental diseñar un filtro
para reducir y eliminar la turbidez de agua residual (natural) utilizando material
litológico obtenido de la Alborada sector norte de Guayaquil y de la comuna
Chongón, como medio filtrante verificando la eficacia del material para la
retención de solidos suspendidos.
4.1. Preparación de los lechos
4.1.1. Recolección del material litológico
Los suelos empelados en la fabricación de los medios filtrantes fueron
seleccionados de dos zonas diferentes de la ciudad de Guayaquil, se puede
observar en la Fig. 19 ,donde se aprecia que la alborada está ubicada al norte
del cantón de Guayaquil mientras que la comuna de Chongón se encuentra
ubicada al oeste de la ciudad de Guayaquil entre las coordenadas
2°05’46" a 2°30’33 latitud sur y desde los 79°57’32" a 80°13’30" de longitud
occidental.
Fig. 19: Ubicación del material litológico del sector Alborada y comuna
Chongón
Fuente: [48]
En la Fig. 20 se ilustra la fotografía del sector donde se realizó la recolección del
material litológico en el sector de Chongón, en el cual se puede observar que
56
hay una baja en la vegetación presente en estos suelos, particularmente por la
composición del suelo, la coloración que presenta el material recolectado, lo cual
plantea la suposición de la presencia de minerales, óxidos y metales en el suelo.
Fig. 20: Comuna Chongón lugar donde se extrajo el Material Litológico
Fuente: [39]
En la Fig. 21 se muestra la fotografía de la segunda zona donde se realizó la
recolección del material litológico del sector de la Alborada, en el cual es posible
observar una vegetación considerable, la coloración y características del suelo
nos indica que presenta minerales que como hierro, potasio, fosforo que actúan
como nutrientes para el suelo.
57
Fig. 21: Sector Alborada lugar donde se extrajo el Material litológico
Fuente: [39]
Una vez que se ha recolectado el material de las zonas (Alborada, Chongón) de
la ciudad de Guayaquil se realizaron las etapas descritas y detalladas en el
capítulo II, que se resumen en la Fig. 22, con la finalidad de obtener los lechos
filtrantes que son utilizados en la columna de filtración los cuales se ilustran en
la Fig. 23.
Fig. 22: Diagrama de las etapas del proceso de la formación del lecho
Fuente: [39]
58
Fig. 23: lecho filtrante preparado y almacenado
Fuente: [39]
4.2. Caracterización de los suelos
Se reporta los resultados de los análisis para determinar la composición química
del material litológico utilizado en los para la preparación del medio filtrante.
4.2.1. Composición química de los suelos
Las pruebas de análisis de los componentes presentes en la muestra del suelo
de Chongón y Alborada se muestran, en las figuras a continuación, se visualizan
los componentes principales del suelo o material litológico. [40]
Se puede distinguir en la Fig. 24, los componentes que se encuentran en la
muestra de suelo los principales son: Aluminio(Al), Silicio (Si), Hierro (Fe), Sodio
(Na), Potasio (K); se puede notar el alto contenido de materiales que presentan
una gran tendencia a beneficiar el intercambio iónico, influyendo en la
conductividad. El análisis químico es similar a los análisis geológicos realizados
en el Cantón Guayaquil descritos en la memoria técnica según [40]; para el
material litológico recolectado en Alborada se muestra que los principales
componentes que se encuentran son el Si (58,69%); el Al (19,87%) y el Fe(
9,82%), indicando un índice menor de contenido orgánico.
59
Fig. 24: Análisis de los componentes químicos del suelo de Alborada
Fuente: [39]
En el caso de la Fig. 25 se describe los componentes químicos presentes en la
muestra de suelo de la comuna Chongón, en el cual se identifica mediante
colores, el porcentaje de cada componente como: Silicio (Si), Hierro (Fe), Sodio
(Na), Potasio (K), Aluminio (Al). El suelo de Chongón presenta un menor
porcentaje de hierro el cual influye en la capacidad de absorción de este; no
obstante, los compontes principales son Si (67,26%), Fe (8,67%) y Al (21,5%).
Fig. 25: Análisis de los componentes químicos del suelo de la comuna
Chongón
Fuente: [39]
4,5677,053
9,82
19,8758,69
Composición Química
Na
K
Fe
Al
Si
0,25 2,32
8,67
21,5
67,26
Composición Química
Na
K
Fe
Al
Si
60
Se puede determinar y definir que los materiales litológicos analizados pueden
estar conformados por óxidos y otras mezclas de elementos analizados, esto
podría beneficiar la capacidad de absorber las sales dispersas y varios
componentes encontrados en las aguas naturales.
4.2.2. Medición del tamaño del grano promedio
A continuación, se describen los resultados obtenidos de los cálculos (Anexo 2)
empleados para la medición del tamaño del grano promedio en las tablas 7 y 8
consecutivamente, en la Fig. 26 se ilustra la medición del tamaño del grano
promedio del lecho filtrante.
Tabla 7: Longitud promedio del medio filtrante (lecho)
Lecho Descripción Longitud promedio
S %Cv
Lecho Alborada
5mm 6,50±3,30 0.32 6.37
Lecho Alborada
10mm 10,05±9,7 0.039 0.39
Lecho Chongón
5mm 5,9±3,6 0.23 4.75
Lecho Chongón
10mm 10,05±0,97 0.044 0.44
Fuente: [39]
Tabla 8: Diámetro del medio filtrante (lecho)
Lecho Descripción Longitud promedio
S %Cv
Lecho Alborada
5mm 3,5±2,5 0,0725 2,46
Lecho Alborada
10mm 3,2±2,3 0,1008 3,41
Lecho Chongón
5mm 3,1±2,5 0,0692 2,33
Lecho Chongón
10mm 3,00±2,1 0,1152 4,00
Fuente: [39]
61
Según los datos resultantes contenidos en las tablas 6 y 7, se observa que los
lechos analizados exhiben valores de longitud muy contiguos a las longitudes
teóricas de los lechos (5 y 10 mm).Los valores del coeficiente de variación
expresado como (%Cv) de cada tipo de lecho, se nota la equivalencia que
presentan las medidas longitudinales experimentales con las teóricas, en el caso
del diámetro se notan leves variaciones entre los valores resultantes, esto puede
producirse por la textura de la masa del lecho en el instante de su preparación,
también se puede notar que los lechos de Chongón presentan menos espesor;
en comparación con los lechos de Alborada esto podría deberse a la
composición de los materiales y sus componentes y podríamos inferir que
afectaría en los ensayos de filtración y sus resultantes.
Fig. 26: Medición del tamaño promedio del grano
Fuente: [39]
4.2.3. Porosidad del medio filtrante
Se ilustra en la Fig. 27 Las muestras de los lechos de 30g después de la
saturación del mismo con agua destilada y lo siguiente es pesar las muestras
con el objetivo de obtener la masa de agua que retuvo cada tipo de lecho y así
poder determinar la porosidad.
Los resultados se obtuvieron aplicando las ecuaciones especificadas en el literal
3.2.2, las cuales se muestran en la tabla 9, ya que la densidad del agua es
1g/cm3 se puede concluir que la magnitud de agua que absorbió el lecho es
equivalente a la cantidad de agua que retuvo debido a la porosidad que presenta
62
el medio, este valor se divide entre el volumen del poro; así obtenemos el
porcentaje de porosidad.
Fig. 27: Porosidad del lecho
Fuente: [39]
Tabla 9: Porosidad de los tipos de lecho filtrante
Alborada (5mm) Chongón (5mm)
Ensayo (%)porosidad Ensayo (%)porosidad
1 28,26 1 16,83
2 22,41 2 16,1
3 28,66 3 10,8
Promedio(%𝑷̅̅ ̅̅ ̅) 26,45 Promedio(%𝑷̅̅ ̅̅ ̅) 14,59
%Cv 10,166 %Cv 18,51
Alborada(10mm) Chongón (10mm)
Ensayo (%)porosidad Ensayo (%)porosidad
1 28,01 1 15,91
2 26,28 2 15,61
3 20,21 3 11,96
Promedio(%𝑷̅̅ ̅̅ ̅) 24,83 Promedio(%𝑷̅̅ ̅̅ ̅) 14,5
%Cv 13,463 %Cv 12,38
Fuente: [39]
Los resultados obtenidos nos indican que los lechos analizados presentan
valores de porosidad muy cercanos, de los cuales los lechos de 5mm
presentaron un mayor porcentaje de porosidad, esto podría beneficiar el proceso
de absorción y retención de los residuos contaminantes presente en las muestras
de agua.
63
Se realizó 3 ensayos para determinar la porosidad, por lo cual se calculó el
coeficiente de variación y se determinó favorablemente la cercanía de la
magnitud entre las mediciones, siendo el %Cv con valores de los lechos de 5mm
menores a los de 10mm.
4.3. Caracterización del agua residual
Antes de comenzar con los ensayos experimentales para probar la eficacia del
filtro con material litológico, fue necesario realizar unas pruebas para la
caracterización fisicoquímica del agua residual (Agua natural).
4.3.1. Recolección del agua residual
La cuenca del río Guayas, se ubica entre las provincias de Los Ríos, Guayas,
Cotopaxi, Bolívar, Manabí, Cañar, Chimborazo y Santo Domingo; en el centro
occidental del Ecuador. Su ancho fluctúa entre 1,5 km y 3 km, excepto a la altura
de la ciudad de Guayaquil, en donde se fracciona en dos canales que rodean la
isla Santai con un ancho de 5km y una profundidad que varía entre 5 a 12 m [49].
Para verificar la hipótesis planteada en esta investigación se eligió el agua del
río Guayas; específicamente del sector a la altura del malecón 2000 ubicado en
el centro de la ciudad, como se ilustra en la Fig. 28.
Fig. 28: Recolección de las muestras del agua en el Río Guayas
Fuente: [39]
64
4.3.2. Estudios fisicoquímicos del agua residual
Los análisis de las características fisicoquímicas del agua residual (agua natural)
que fluye por el río Guayas, fueron realizadas en el laboratorio unidad de control
de calidad laboratorio de aguas, petróleo y medio ambiente acreditado por el
SAE, es de vital importancia conocer la composición fisicoquímica del efluente
para realizar los ensayos de filtración; a continuación, se ilustran los resultados
de los análisis previos a los ensayos en la tabla 10.
Tabla 10: Resultados de los estudios fisicoquímicos de la muestra de
agua del Río Guayas
Parámetro Valor
resultante
Expresado
como
Unidad Límites
máximos
permisibles
Método
Potencial de
Hidrogeno
7.57 pH - 4500-H+B
PEE/UCC/LA/02
Turbidez 1372 - NTU - 2130 B
Conductividad 1342 - uS/cm - 2510 B
PEE/UCC/LA/01
DBO 18 DBO5 mg/l - 5210D
PEE/UCC/LA/07
Solidos
suspendidos
2170 - mg/l - 2540 B
PEE/UCC/LA/07
Sulfatos 63 SO4−2 mg/l - 8051 HACH
Nitratos 0.33 N − NO3 mg/l - 8171 HACH
Dureza 139 CaCO3 mg/l - 2340 B
Alcalinidad 70 CaCO3 mg/l - 2320 B S.M.
Fuente: [39]
Se puede apreciar que los valores resultantes de los parámetros no cumplen con
la normativa para descarga de aguas residuales, considerando el parámetro de
la turbidez el cual se busca disminuir con los ensayos de filtración para poder
utilizar el agua del efluente para actividades agrícolas (riego), los valores de la
65
demanda bioquímica de oxigeno indican la mínima presencia de residuos
orgánicos que podrían contaminar el agua y también afectar el parámetro
nitratos.
4.4. Ensayos de filtración del agua residual
En esta etapa se realizó la filtración de las muestras de agua cruda recolectadas,
se hizo fluir a raves de los lechos o medios filtrantes elaborados con el material
litológico, en la columna de filtración en el interior se ubicó 100 g de material, que
es equivalente a una altura de 30cm.
Este proceso se realizó por cada tipo de lecho, según su tamaño y el lugar donde
se recolecto el material, se analizó y evaluó 4 lechos mediante filtración lenta,
mediante los valores resultantes se combinó los 2 tipos de lecho según el tamaño
que presento los mejore resultados en el ensayo de filtración.
Se analizó la eficiencia del filtro mediante las configuraciones del lecho que
presento los resultados más óptimos en la disminución del parámetro
fisicoquímico de la turbidez.
Los ensayos de filtración se desarrollaron mediante el control del flujo de salida
del efluente en 10mL/min utilizando 5000mL de agua residual y considerando el
parámetro de control a la turbidez del agua filtrada por medio de los lechos
fabricados con material recolectado de Alborada y Chongón, también se
midieron las magnitudes de pH, conductividad y temperatura según el volumen
del agua filtrada.
4.4.1. Filtración con el lecho Alborada
Se presentan los resultados de los ensayos de filtración en función de los
parámetros analizados durante el desarrollo de cada ensayo experimental.
Turbidez: En la Fig. 29 se puede observar la variabilidad que presenta la turbidez
en función del volumen de agua que se está tratando con el filtro litológico
elaborado con el material recolectado de Alborada, las muestras de aguas
residuales fueron analizadas y presentaron un parámetro de turbidez inicial de
66
1372 NTU; después verter la muestra de agua residual a través del medio
filtrante que se encuentra en el interior de la columna del filtro se produjo una
reducción inicial de 390 NTU para el filtro de 5mm y 341 NTU para el filtro con el
lecho de 10mm posteriormente esta va disminuyendo periódicamente hasta que
se estabiliza en 140 NTU para 5mm y 150 NTU para 10mm consecutivamente.
En si los dos filtros presentaron resultados favorables en la disminución del
parámetro, no obstante, el filtro con mayor efectividad fue el lecho de 5mm esto
debido a su porosidad.
Fig. 29: Gráfica de la evaluación de turbidez de los lechos de Alborada
Fuente: [39]
pH: Se ilustra en la Fig. 30 una diferencia de magnitudes de la cocentración de
bacisidad o acidez en relación con el volumen de la muestra y el tipo de lecho
empleado para los ensayos, el análisis de pH previo a las pruebas de filtración
genero un pH de 7,57 como se indica en la tabla 10. La gráfica indica que en
ambos lechos generaron una alteración en el pH del agua residual, para ambos
lechos se observa que se produjo una ligera disminución, no obstante, el pH fue
aumentando sucesivamente hacia casi una unidad, siendo mayor para el lecho
de 10mm en los 60 a 80mL de las muestras de agua filtrada. Se presenta una
alcalinización; se deduce que la causa de esto se debe a la extracción de iones
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
x 0
10
20
30
40
60
80
10
0
12
0
17
0
22
0
27
0
32
0
42
0
52
0
62
0
72
0
Tu
rbid
ez(N
TU
)
Volumen(ml)
Lecho Alborada
5mm
10mm
67
que presentan los lechos aumentando la basicidad de las muestras de agua
tratada, el lecho de 5 mm presento mayor concentración de iones básicos en el
agua.
Fig. 30: Gráfica de la evaluación de pH de los lechos de Alborada
Fuente: [39]
Conductividad: La conductividad que presentó el lecho fabricado con el
material de Alborada varia levemente; paras ser más específico el valor aumenta
de 1342 µS a 1383 µS en el lecho de 5 mm y el de 10 mm aumenta a 1400 µS.
(Anexo III) las variaciones de la conductividad se deben a las cargas de iones
que adquiere el agua tratada cuando circula por el medio filtrante.
DBO: El análisis del DBO indicó que hubo una disminución considerable del valor
inicial del agua residual el cual es equivalente a 18 (Tabla 10) para el lecho o
medio filtrante de 5mm hubo una disminución a 14 y para el lecho de 10 mm la
disminución del valor del DBO fue de 2.
4.4.2. Filtración con el lecho Chongón
A continuación, se describen los resultados de los análisis de los parámetros
explorados para identificar la eficacia del filtro para lo cual se indican las
resultantes por el tipo y tamaño del lecho filtrante.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
x 0
10
20
30
40
60
80
10
0
12
0
17
0
22
0
27
0
32
0
42
0
52
0
62
0
72
0
pH
Volumen (ml)
Lecho Alborada
5mm
10mm
68
Turbidez: En la Fig. 31 se ilustra las gráficas de los dos lechos de 5mm y 10mm
representando las magnitudes resultantes del parámetro fisicoquímico, en la
gráfica se puede distinguir la variación de la turbidez en función del volumen de
agua tratada, se observa la disminución de la turbidez de 1372 NTU a 590 NTU
para 5mm y 495 NTU para el lecho de 10mm la cual va disminuyendo
periódicamente hasta que se establece alrededor de 250 NTU en 520mL para el
medio de 5 mm y 270 NTU al mismo volumen para el medio de 10mm. Se puede
concluir que el lecho de 5mm presenta un mayor rendimiento para la disminución
de turbidez y retención de solidos suspendidos.
Fig. 31: Gráfica de evaluación de turbidez de los lechos de Chongón
Fuente: [39]
pH: Se ilustra en la Fig. 32 una variación en la cocentración de bacisidad o
acidez en relación con el volumen de la muestra y el tipo de lecho empleado para
los ensayos, el análisis de pH previo a las pruebas de filtración genero un pH de
7,57 como se indica en la tabla 10.
Se puede visualizar que se produje una leve modificación del pH en el agua
residual, después de haber sido tratada por el filtro para el caso del lecho de
5mm el pH disminuyó en los primero 20mL de agua tratada posteriormente se
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Tu
rbid
ez(N
TU
)
Volumen(ml)
Lecho Chongón
5mm
10mm
69
fue elevando hasta que se estabilizó en 80 mL con un pH de 7.73 y se mantuvo
cercano a 7.96 de pH; para el caso del lecho de 10mm el pH se elevó hasta
pasar el valor de 8 indicando un comportamiento básico hasta que se redujo en
320mL y se mantuvo en valores cercanos al pH 8.
Fig. 32: Gráfica de evaluación del pH de los lechos de Chongón
Fuente: [39]
Conductividad: La conductividad en el lecho fabricado con el material de
Chongón varia levemente; paras ser más específico el valor aumenta de 1342
µS a 1409 µS en el lecho de 5mm y el de 10mm aumenta a 1610 µS. (Anexo III)
los cambios en la conductividad se deben a las cargas de iones que adquiere el
agua tratada cuando circula por el medio filtrante.
DBO: El análisis del DBO indicó que hubo una disminución considerable del valor
inicial del agua residual el cual es equivalente a 18 como indica el análisis de la
caracterización de las aguas previo a la filtración (Anexo III) para el lecho o
medio filtrante de 5mm hubo una disminución a 13 y para el lecho de 10 mm la
disminución del valor del DBO fue de 2 por lo tanto claramente hubo una
disminución de la cantidad de materia orgánica.
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pH
Volumen(ml)
Lecho Chongón
5mm
10mm
70
4.4.3. Filtración mezcla del lecho Alborada
Se presentan los resultados de los ensayos de filtración en función de los
parámetros analizados durante el desarrollo de cada ensayo experimental, este
ensayo en particular muestra los resultados que se ocasionan por la combinación
de los dos lechos que presentaron mejores resultados individualmente, a
continuación, observamos la variabilidad que estos presentan con respecto a los
parámetros fisicoquímicos y las resultantes de los lechos anteriores.
En el ensamblaje de este filtro se usa una cantidad de 50 g de lecho de 5mm y
50 g del de 10mm uno primero que el otro y viceversa que observaremos el
comportamiento de estos filtros de mono capa en los resultados obtenidos para
poder medir su eficiencia en la disminución de turbidez.
Filtro 1: Combinación del lecho Alborada capa superior 50 g de 5 mm; capa
inferior 50 g de 10mm.
Filtro 2: Combinación de lecho Alborada capa superior 50 g de 10mm; capa
inferior 50 g de 5mm.
Turbidez: Se puede observar en la Fig. 33 el grado de remoción de sólidos
presentes en las muestras de agua ya que se presentó un variación en la turbidez
con respecto al valor inicial de 1372 NTU; la gráfica indica que la turbidez
disminuye considerablemente en los primeros 10mL para ambos lechos, en este
ensayo se realizaron configuraciones de los lechos ubicando uno después de
otro por el tamaño del grano; se realizaron 2 configuraciones en la cual la
configuración 10mm - 5mm presento una mayor disminución de la turbidez no
obstante el resultado no presento valores muy alejados a los de la configuración
5mm-10mm; en el casi de la primera la turbidez disminuyó periódicamente hasta
que se estabilizó en 220mL con una turbidez de 260 NTU; en el caso de la
segunda combinación al mismo volumen presento una turbidez de 240 NTU
llegando disminuir hasta 150 NTU.
71
Fig. 33: Gráfica de evaluación de la turbidez de los lechos de Alborada combinado
Fuente: [39]
pH: En la Fig. 34 describe la variación o alteración que presenta el pH respecto
al tratamiento de agua con los lechos combinados, la cual describe un aumento
del pH de 7.57 a valores cercanos a 8, indicando que la muestra se encuentra
levemente básica; se mantuvo constante en valores alrededor de 8 hasta que se
estableció en 170mL hasta llegar a pH 8.27 en 720mL para el lecho 5mm-10mm;
para el caso del lecho de 10mm-5mm se presentó una disminución en los 10mL
iniciales variando el pH a 6.35 posteriormente aumentando el volumen hasta
80mL el pH se elevó hasta 7.97 y sucesivamente sus valores se mantuvieron
alrededor de un pH por encima de 7 hasta que se estableció en 7.69.
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Tu
rbid
ez (
NT
U)
Volumen(ml)
lecho Alborada combinado
5mm-10mm
10mm-5mm
72
Fig. 34: Gráfica de evaluación del pH de los lechos de Alborada
combinado
Fuente: [39]
4.4.4. Comparación de resultados de los lechos
Como se puede observar en las imágenes presentadas en el apartado 4.4 donde
nos señala el comportamiento de las gráficas con respecto a los resultados
obtenidos de las pruebas de los diferentes lechos, se compara los resultados del
material de Alborada, Chongón y la combinación de los lechos Alborada en los
cuales utilizamos la cantidad de 50gr de cada tipo de lecho según su tamaño
(5mm; 10mm); se muestra la eficacia del filtro en la Fig. 35.
Turbidez: Se ilustra en la Fig. 35 como el parámetro de la turbidez inicial de la
muestra sin tratar es de 1372 NTU, se observa cómo va disminuyendo
periódicamente para cada tipo de lecho, el cual está representado con un color
diferente para cada lecho, se puede considerar como el lecho más eficiente y
con mayor porcentaje de remoción de solidos suspendidos al lecho de Alborada
de 5mm; esto debido a su porcentaje de porosidad el cual se describe en el
apartado 4.2.3. La turbidez del agua residual disminuye desde los 10mL de
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pH
Volumen(ml)
Lecho Alborada combinado
5mm-10mm
10mm-5mm
73
muestra de agua tratada, disminuye para todos los lechos fabricados con
material litológico recolectado en Alborada alrededor de 390 y 341 NTU como
reducción inicial hasta que se establece en 139 a 150 NTU, para los lechos
Chongón la turbidez es un poco más elevada la reducción inicial varía desde 590
NTU a 495 NTU ya se estabiliza en valores alrededor de 250 y 260 NTU, los
ensayos con pruebas de filtración presentaron una resultante equivalente a los
lechos de Alborada disminuyendo la turbidez hasta 150 y 207 NTU.
Conductividad : Esta presento mejores resultantes para los lechos de alborada,
analisis de laboratorios abjuntados en el Anexo I; en relación a la conductividad
inicial resultante del agua cruda se denoto una variación minima con el agua post
filtracion.
Fig. 35: Comparación de variabilidad de la turbidez por acción de los lechos
Fuente: [39]
pH: La Fig. 36 muestra los valores obtenidos experimentalmente y la
comparación de valores de la concentración del pH para los lechos; se distinguen
e identifican cada tipo de lecho con un color respectivo y se puede observar un
aumento del pH periódicamente hasta que se estabiliza, las variaciones en el pH
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NT
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Volumen(mL)
Comparación de la turbidez de los lechos
ALBO 5mm
ALBO 10mm
CHON 5mm
CHON 10mm
ALBO PQ-GR
ALBO GR-PQ
74
del agua tratada suceden por los residuos y sales minerales que suelta cada
material del cual están conformados los lechos, esto indica que todos los lechos
disminuye la acidez de las muestras de agua ocasionándole una caracterización
ligeramente básica. El valor del pH inicial de la muestra es 7.57 el cual fue
determinado previo a los ensayos de filtración, determinando esta magnitud de
la concentración como el pH de la muestra cero; es decir que se nota un ligero
aumento del mismo en todos los ensayos de filtración, llegando a estabilizar el
pH y establecerse en 8.6 para los volúmenes tratados con lechos de Alborada,
para los volúmenes que pasaron a través de los lechos de Chongón fue 8; en
el caso de los lechos combinados cuando se presentó la primera capa del medio
filtrante con 5mm sucesivamente la de 10mm el pH vario a 7.69, en el caso donde
la primera capa fue la del lecho de 10mm y sucesivamente la de 5mm ese disparó
en aumento hasta llegar a 8.27.
Fig. 36: Comparación de variabilidad de pH por acción de los lechos
Fuente: [39]
Conductividad: Este parámetro presento un ligero aumento hasta 1609 µS
según los análisis realizados en el laboratorio (Anexo I) comparado con la
conductividad original este claramente vario de los 1342 µS que se indicaron en
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pH
Volumen(mL)
Comparación deL pH de los lechos
ALBO 5mm
ALBO 10mm
CHON 5mm
CHON 10mm
ALBO PQ-GR
ALBO GR-PQ
75
la caracterización de las aguas residuales, debido a la carga iónica de los
materiales que forman el lecho filtrante.
En la tabla 11 se indican los tiempos de residencia de las muestras el agua en el
interior de la columna de filtración, donde el flujo de efluentes a través de material
litológico es de manera rápida con un tiempo alrededor de 7 u 8 segundos.
Tabla 11: Tiempos de residencia de las muestras de agua durante los
ensayos de filtración
Filtro Tiempo (seg.)
ALBO-PQ(100gr;5mm) 7,02
ALBO-GR(100gr;10mm) 7,18
CHON-PQ(100gr;5mm) 8,10
CHON-GR(100gr;10mm) 7,49
ALBO-PQ-GR(50gr-5mm;50gr-10mm) 7,05
ALBO-GR-PQ(50gr-10mm;50gr-5mm) 7,12
Fuente: [39]
4.5. Comparación de parámetros de las muestras de aguas tratadas.
Para analizar y evaluar los resultados de la eficiencia del filtro de material
litológico es recomendable realizar un análisis y comparación de parámetros de
los volúmenes resultantes que se muestran en la tabla 12.
Tabla 12: Parámetros de las muestras de agua tratadas
Parámetro Unidad Agua
sin
tratar
Filtro
ALBO
5mm
Filtro
ALBO
10mm
Filtro
CHON
5mm
Filtro
CHON
10mm
Potencial de
Hidrogeno
NTU 7.57 8.6 7.45 7.86 8
Turbidez uS/cm 1372 150 207 250 260
Conductividad mg/l 1342 1383 1383 1410 1609
DBO mg/l 18 2 13 4 14
Fuente: [39]
76
Se visualiza en el contenido de la tabla que los filtros con material litológico
disminuyen eficazmente la turbidez inicial presentada por las muestra de agua
sin tratar, notándose la variabilidad en los volúmenes resultantes que presentan
los filtros. Se nota una mayor disminución de la DBO en los lechos fabricados
con el material recolectado de Alborada, un aumento significativo en la
conductividad de las muestras debido a la posibilidad de intercambio iónico en
los residuos de materiales de los lechos durante los ensayos de filtración.
4.6. Dimensionamiento del filtro
Con el método de filtración para tratamiento de aguas se busca remover los
sólidos suspendidos en el medio o fluido, al pasarlo por un medio que presenta
una membrana porosa, este tipo de filtración depende de las características que
presente el agua a tratar, el tipo y tamaño del material que se empleara como
medio filtrante, la velocidad de filtración y la carga hidráulica.
El filtro por diseñar se proyecta para una capacidad mínima de personas y a un
periodo de tiempo aproximado a 7 años, para realizar esto se debe calcular la
tasa de aumento poblacional para el tiempo establecido. Para esto definimos el
numero en 800 personas con una tasa de crecimiento anual del 4% [5]
A partir de los datos recolectados de los ensayos que se describen en el
(apartado 4.4.3.) utilizando las respectivas ecuaciones que fueron enlistadas en
el apartado 3.5; gracias a estas determinamos la población existente en los
futuros 7 años y procedemos a indicar que el filtro puede tratar aguas residuales
provenientes de número de personas, asumiendo el consumo de
Estableciendo así la demanda en 85,8m3
día. Sucesivamente se detallan los
resultados del dimensionamiento en la tabla 12 y los cálculos en el Anexo III.
77
Tabla 13: Datos y Resultados del dimensionamiento del filtro
Parámetro Magnitud Unidad Ecuación
Velocidad de
filtración
1,221 m
h
Ec. (14)
Capacidad de
filtración
17,16
m3
h
Ec. (17)
Área total del
filtro
15,50 m2 Ec. (18)
Longitud del
filtro
5,962 m Ec. (19)
Ancho del filtro 2,592
m Ec. (20)
Volumen del
lecho
18,6 m3 Ec. (22)
Altura del filtro 1,2 m -
Tiempo de
retención
4,88 h Ec. (30)
Fuente: [39]
A continuación, en la tabla 13, se detallan los datos calculados en el Anexo III
las características de los medios filtrantes (Lechos) que fueron dimensionados
en el interior del filtro con el material litológico proveniente de Alborada, en donde
el lecho de tipo 5mm representa el 65%de la altura total del filtro y el lecho de
10mm un 35%.
En la tabla 14 se detallan los variables de altura, masa y volumen calculadas en
el Anexo III para cada tipo de lecho con mejor porcentaje de remoción de
turbidez.
78
Tabla 14: Especificaciones de los lechos filtrantes en el interior del filtro
Variables Calculadas Alborada(5mm) Alborada(10mm)
Altura (m) 0,78m 0.42m
Masa (Ton) 24,11Ton 12,98Ton
Volumen (𝐦𝟑) 12,09m3 6,51m3
Fuente: [39]
79
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones
Se comprobó mediante los ensayos y experimentos realizados que la
aplicación de material litológico para la conformación de un lecho filtrante
asegura un alto porcentaje de eficiencia en el proceso purificación de
aguas naturales recolectadas del río Guayas.
Se analizó los parámetros fisicoquímicos antes y después de los ensayos
de filtración demostrando por medio de las resultantes la disminución de
turbidez, modificación del pH, disminución del DBO, asegurando una
mejora en la calidad del agua residual gracias a las filtraciones con
material litológico.
El mejor lecho para el diseño del filtro fue el de Alborada por la eficacia
presentada en la remoción de solidos suspendidos; los cuales causan la
turbidez elevada en la muestra de agua; los análisis y ensayos
experimentales realizados durante el proyecto demostrando así un 90%
de disminución de turbidez inicial.
Las variaciones de resultados en los volúmenes resultantes de
conductividad y DBO se deben a los componentes químicos encontrados
en las muestras del material litológico, como metales y sales minerales
las cuales afectan el intercambio iónico y absorción resultando así en un
aumento de la conductividad, disminución del DBO.
El dimensionamiento del filtro consiste en un sistema de purificación el
cual presenta una amplia eficacia gracias a las características de
membrana porosa, tamaño, velocidad de filtración y vida útil por un
periodo de 7 años que presenta el lecho empleado.
80
5.2. Recomendaciones
Es recomendable un lavado antes del lecho filtrante, para remover
cualquier residuo de materiales del lecho, metales, sustancias iónicas, y
residuos del lecho calcinados parcialmente, ya que estos alteran la
conductividad, el valor de la concentración de pH y la turbidez en los
primeros volúmenes filtrados de la muestra de agua.
Se debe realizar combinaciones con más variedad de material litológico
y con otros materiales que presenten las características aptas para el
tratamiento de aguas obteniendo nuevos resultados y fomentando más
investigaciones.
Se recomienda que en la etapa de formación del lecho que este mantenga
una forma definida para darle uniformidad y consistencia al lecho para
aumentar su eficiencia en el proceso de filtración y descontaminación de
aguas residuales.
Analizando los resultados del laboratorio sobre el agua tratada, de la
disminución del DBO es recomendable, que se realicen nuevas
investigaciones la reducción de los parámetros fisicoquímicos a través de
las filtraciones litológicas.
81
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n+un+mapa+de+guayaquil&oq=ubicacion+dealborada+en+un+ma
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metodologia-de-la-investigacion.pdf
[54] J Román, J. S. (). Correlación y regresión. Obtenido de
http://hidrologia.usal.es/practicas/correlacion/Correlacion_expli
86
ANEXOS
Anexo I
A B
Fig. 37: Filtro con material de Alborada con agua sin tratar; A) Lecho
5mm; B) Lecho 10mm
Fuente: [39]
A B
Fig. 38: Muestras de aguas filtradas A) ALBO 5mm B) ALBO Lecho 10mm
Fuente: [39]
87
A B
Fig. 39: Filtro con material de Chongón con agua sin tratar; A) Lecho 5mm; B) Lecho 10mm
Fuente: [39]
A B
Fig. 40: Muestras de aguas filtradas A) CHON 5mm B) CHON 10mm
Fuente: [39]
88
Análisis de Laboratorio
Fig. 41: Analisis de parámetros fisicoquímicos del río Guayas pre
tratamiento
Fuente: [39]
89
Fig. 42: Análisis de la conductividad y DBO de las muestras de agua post
filtración
Fuente: [39]
90
Anexo II
Las ecuaciones implementadas están detalladas en el apartado 3.2.2 y 3.2.3.
Cálculos de tamaño promedio de grano
X̅ALBO 5 mm = 5,02mm
X̅ALBO 10 mm = 9,9674mm
X̅CHON 5 mm = 5,018mm
X̅CHON 10 mm = 10,006mm
SALBO 5 mm = √∑(6,5−5,02)2+(3.3−5,02)2
50−1= 0,32 %𝐶𝑣 =
0,32
5,02∗ 100 = 6,37
SALBO 10 mm = √∑(10,05−9,9674)2+(9,7−9,9674)2
50−1= 0,039 %𝐶𝑣 =
0,039
9,9674∗ 100 = 0,39
SCHON 5 mm = √∑(5,9−5,018)2+(3,6−5,018)2
50−1= 0,2385 %𝐶𝑣 =
0,2385
10,006∗ 100 = 4,75
SCHON 10 mm = √∑(10,05−10.0066)2+(9,7−10.0066)2
50−1= 0,044 %𝐶𝑣 =
0,044
10,0066∗ 100 = 0,439
Cálculo del diámetro promedio del grano
X̅ALBO 5 mm = 2,936 mm
X̅ALBO 10 mm = 2,9656 mm
X̅CHON 5 mm = 2,966 mm
X̅CHON 10 mm = 2,878mm
SALBO 5 mm = √∑(2,5−2,936)2+(3,5−2,936)2
50−1= 0,0725 %𝐶𝑣 =
0,0725
2,936∗ 100 = 2,46
SALBO 10 mm = √∑(2,3−2,9656)2+(3,2−2,9656)2
50−1= 0,1008 %𝐶𝑣 =
0,1008
2,9656∗ 100 = 3,41
SCHON 5 mm = √∑(2,5−2,966)2+(3,1−2,966)2
50−1= 0,0692 %𝐶𝑣 =
0,0692
2,966∗ 100 = 2,33
SCHON 10 mm = √∑(2,1−2,878)2+(3,0−2,878)2
50−1= 0,1152 %𝐶𝑣 =
0,1152
2,878∗ 100 = 4,00
91
Cálculos del % de porosidad
Fig. 43: Cálculo de la porosidad para lecho ALBO 5mm
Fuente: [39]
Fig. 44: Cáculo de la porosidad para lecho ALBO 10mm
Fuente: [39]
Cuadro 1
Muestra: Alborada 5mm
Porosidad del lecho
Muestra
Masa del lecho
seco g
Masa del
lecho humedo
g
Masa del
agua
absorbida
g
Volumen
final agua
mL
Volumen
lecho
mL
Volumen
Poro
mL
Porosidad
%
1 30,00 46,960 16,96 78 60 16,96 28,2666667
2 30,07 43,52 13,45 78 60 13,45 22,4166667
3 30,00 47,2 17,2 78 60 17,2 28,6666667
PROMEDIO 15,87 26,45 σ
%𝐶𝑣 10,8002594 24,4816667 8,16055556 2,85666861
σ^2
Cuadro 2
Muestra: Alborada 10 mm
Porosidad del lecho
Muestra
Masa del
lecho seco
g
Masa del
lecho
humedo g
Masa del
agua
absorbida
g
Volumen
final agua
mL
Volumen
lecho
mL
Volumen
Poro
mL Porosidad %
1 30,00 46,810 16,810 78 60 16,810 28,01666667
2 30,10 45,87 15,770 78 60 15,770 26,28333333
3 31,05 43,18 12,130 78 60 12,130 20,21666667 σ
PROMEDIO 14,903 14,903 24,83888889 33,5496296 11,1832099 3,34413066
%𝐶𝑣 13,46328604
σ^2
92
Fig. 45: Cálculo de la porosidad para el lecho CHON 5mm
Fuente: [39]
Fig. 46: Cálculo de la porosidad para el lecho de CHON 10mm
Fuente: [39]
Cuadro 4
Muestra: Chongon 10mm
Muestra
Masa del
lecho seco
g
Masa del
lecho
humedo g
Masa del
agua
absorbida
g
Volumen
final agua
mL
Volumen
lecho
mL
Volumen
Poro
mL
Porosidad
%
1 30 39,550 9,550 78 60 9,550 15,9166667
2 30,14 39,51 9,370 78 60 9,370 15,6166667
3 32,02 39,2 7,180 78 60 7,180 11,9666667
PROMEDIO 14,5
%𝐶𝑣 12,3828904
σ
9,67166667 3,22388889 1,79551911
σ^2
93
Anexo III
Dimensionamiento del filtro
Se describe los cálculos requeridos para el dimensionamiento del filtro
planteado.
Datos Experimentales
Los datos fueron recolectados mediante el análisis y selección de los mejores
resultados de los ensayos de filtración el cual empleo material litológico propio
de Alborada y Chongón durante el ensayo se recogió un volumen de 100mL por
cada 10 min.
Volumen=100mL
Tiempo= 10 min
Diámetro de la columna=2,5cm que equivales a 0,025m
Por medio de los datos experimentales se calcula el caudal, el área transversal
y la velocidad de filtración empleando las ecuaciones del apartado 3.5.1;
aplicamos las ecuaciones (12), (13) y (14).
𝑄 =100mL
10mim=
10mL
min∗
1m3
1x10−6 − 6mL∗
1 min
60 seg= 1,666x10−7
m3
seg Ec. (12)
AT =π(0,025m)2
4= 4,908x10−4m2 Ec. (13)
𝑣 =1,666x10−7 m3
seg
4,908x10−4m2= 3,3944x10−4
m
seg∗
3600seg
1h= 1,221
m
h Ec. (14)
94
Cálculo de la población
El filtro y su diseño tendrá una vida útil por un periodo de 7 años para que sirva
a una comunidad con menor población, para esto se debe estimar la tasa de
aumento poblacional para el plazo estimado, el estudio o experimento se utilizó
un número alrededor de 800 personas; la tasa de crecimiento anual es del 4%;
el factor de crecimiento equivale a 1,95 [50] se obtiene la cantidad que aumenta
la población futura aplicando la Ec. (15).
PF = 800 ∗ 1,95 = 1560 Ec. (15)
Cálculo del suministro de agua
Se estableció el consumo de agua en 55L/persona* día utilizando este dato
procedemos a calcular la cantidad de agua es decir la demanda diaria total
aplicando la Ec. (16) a continuación:
DDT = 1560 ∗55L
persona ∗ día= 85800
L
día∗
0,001m3
1L= 85,8
m3
día Ec. (16)
Para el diseño del contenedor de agua purificada y el sistema de distribucion
del agua; es necesario conocer la demanda horaria (DH) o el máximo flujo por
hora para esto aplicamos la Ec. (17) a continuación:
DH = 0,20 ∗ 85,8m3
día = 17,16
m3
día Ec. (17)
Después de calcular la demanda máxima horaria, se considera un caudal
máximo para el diseño se considera un exceso del 10% equivalente a 1,1
veces la DH, para poder abarcar cualquier alteración del consumo de los
habitantes, calculando el flujo operacional del filtro.
Qfiltro = 1,1 ∗ 17,16m3
día= 18,87
m3
h
El área total del filtro con material litológico se calcula usando la Ec. (18)
95
𝐴𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 =18,87
m3
h
1,221mh
= 15,45m2 ≅ 15,50m2 Ec. (18)
Cálculo de las dimensiones del filtro
Es recomendable que el diseño del filtro se haga un relación de 1/4 largo por
ancho, se calcula la longitud y ancho del filtro aplicando las Ecuaciones (19) y
(20) a continuación:
Ancho = √15,50m2
2,3= 2,592m Ec. (20)
L = 2,3 ∗ 2,592m = 5,962m Ec. (19)
Contenedor del filtro
Se determina el área del lecho con la siguiente ecuación:
Área del lecho = 5,962m ∗ 2,592m = 15,45m2 Ec. (21)
El volumen se calculó aplicando la siguiente ecuación:
Volumen del lecho = 15,5m2 ∗ 1,2m = 18,6m3 Ec. (22)
Suministro del lecho filtrante
Los ensayos de filtración descritos en el apartado 4.4.3 especificaron la altura
de cada tamaño de lecho en el interior de la columna de filtración, el lecho con
un tamaño de 5mm represento 65% y el de 10 mm represento 35%, para los
cálculos se aplican las ecuaciones (23) y (24).
Altura perteneciente al lecho Alborada 5mm = 0,65 ∗ 1,2m = 0,78m Ec. (23)
Altura perteneciente al lecho Alborada 10mm = 0,35 ∗ 1,2m = 0.42m Ec. (24)
El volumen de cada tamaño del lecho se procedio a calcular empleando las
ecuaciones a continuación:
96
Volumen lecho Alborada 5mm = 0,65 ∗ 18,6m3 = 12,09m3 Ec. (25)
Volumen l lecho Alborada 10mm = 0,35 ∗ 18,6m3 = 6,51m3 Ec. (26)
Masa de lecho filtrante necesaria
Para determinar la porosidad se toman los datos experimentales es decir masa
del lecho seco y húmedo, también tomamos el volumen del lecho saturado y del
poro de los materiales de 5mm y 10mm, para realizar los cálculos aplicamos la
ecuación (27):
Vlecho seco 5mm = 60mL − 16,96mL = 43,04mL Ec. (27)
Vlecho seco 10mm = 60mL − 16,81mL = 43,19mL Ec. (27)
Después de calcular el volumen del lecho seco, calculamos la densidad para
cada tipo de lecho; aplicando la Ec. (28) a continuación:
ρlecho 5mm =86,059g
43,04mL= 1,9995
g
mL Ec. (28)
ρlecho 10mm =86,059g
43,19mL= 1,9925
g
mL Ec. (28)
Sucesivamente al obtener las variable del volumen y conocer la densidad
resultante del lecho se calculó la masa necesaria de cada tamaño de lecho con
la ecuación (29).
Masalecho 5mm = 1,9995g
mL ∗ (12,09m3 ∗
1000mL
m3 ) = 24119.55gr Ec. (29)
Masalecho 10mm = 1,9995g
mL ∗ (6,51m3 ∗
1000mL
m3) = 12987.45gr Ec. (29)
Cálculo del tiempo de retención
Se aplicó la Ec. (30):
Tiempo de retención =5,962m
1,221mh
= 4,88h Ec. (30)
