INTRODUCCIÓN
Según
la Organización Mundial de la Salud (OMS) el agua contaminada y el saneamiento
deficiente de residuales de las industrias, la agricultura, así como de
residuales urbanos están relacionados con la transmisión de un gran número de
enfermedades, pero también estos tienen un impacto negativo en la economía y el
medio ambiente pues contribuyen al aumento de la
carga financiera sobre la asistencia sanitaria, reducción de la productividad industrial y agrícola, disminución de la biodiversidad y degradación
de los ecosistemas acuáticos entre otros.
Por lo que se coincide en pensar que
“en un mundo donde la demanda de agua aumenta
de forma permanente y los escasos recursos hídricos se ven cada vez más
exigidos por los consumos
excesivos, la contaminación y el cambio
climático, sería sencillamente impensable no aprovechar las oportunidades
derivadas de una mejor gestión de las aguas residuales.(UNESCO,
2017)
Al
realizar un análisis de la planta
"PAGANI PET" en la Empresa de Recuperación de Materias Primas ubicada
en la provincia de Cienfuegos se pudo constatar que el plástico que allí se
recibe para su reciclaje, proviene de
depósitos vacíos de diferentes productos, o restos provenientes de diferentes
estructuras que casi siempre fueron usadas con función contenedor y en muchas
ocasiones vienen acompañadas por restos de productos químicos, tierra, etc por lo que se requiere de grandes volúmenes de agua,
para el proceso de limpieza y una vez concluido este, el agua residual es
vertida al medio la cual presenta no solo sustancias químicas, sino también, micropartículas de plástico y otros contaminantes.
A partir de esta
situación se inicia una investigación por los profesores del departamento de
Química en la Universidad de Cienfuegos, con el propósito de diseñar un sistema de tratamiento de residuales
líquidos para dicha planta que permitiera lograr niveles de vertimiento según los
parámetros en norma.
En el presente trabajo
aparece el procedimiento seguido por los autores durante el proceso
investigativo, así como los principales resultados alcanzados.
DESARROLLO.
El agua está en el epicentro del
desarrollo sostenible y es fundamental para el desarrollo socioeconómico, la
energía y la producción de alimentos, los ecosistemas saludables y para la
supervivencia misma de los seres humanos por lo que en la actualidad a los
recursos hídricos se les confiere especial interés. Sin embargo, según reportes
de la UNESCO (2017) se estima que, en el mundo, más
del 80 % de las aguas residuales, sobre todo en países desarrollados, se
vierten al medio ambiente sin tratamiento alguno, trayendo consigo la
contaminación de ríos, mares y océanos y con ello afectando a los ecosistemas
marinos con repercusiones en la industria pesquera, medios de subsistencia y
cadenas alimenticias.
Las aguas residuales se consideran como una combinación de uno o más de
los efluentes domésticos que consisten en aguas negras (excremento, orina y
lodos fecales) y aguas grises (aguas servidas de lavado y baño); agua de
establecimientos comerciales e instituciones, incluidos hospitales; efluentes
industriales, aguas pluviales y otras escorrentías urbanas; y escorrentías
agrícolas, hortícola y acuícola.
En Cuba, el tratamiento y
recuperación de aguas residuales se hace más necesario si se tiene en cuenta
que el país carece de abundantes recursos hídricos y su
única fuente de formación lo constituyen las precipitaciones
Por tales razones actualmente son líneas
de acción concurrentes el reciclado del agua en la industria, regular los altos
consumidores, promover el reúso, introducir técnicas eficientes en el riego
agrícola; rescatar las técnicas tradicionales como fuentes alternativas de
agua; así como, establecer la medición de los consumos y el uso de equipos,
accesorios y muebles hidro sanitarios eficientes,
como norma.(INRH,
2012).
Cuando se realiza un análisis de los
recursos hídricos potenciales en la provincia de Cienfuegos son de 1889*106m3,
de ellos son aprovechables unos 1105*106m3 anuales,
correspondiendo el 72 % a las aguas superficiales y el restante 28 % a las
aguas subterráneas. De acuerdo con reportes del CITMA (2015) aún no se
actualizan y utilizan adecuadamente los índices de consumo por unidad de
producto o servicio y persiste una baja cultura con respecto al uso racional
del recurso a nivel de la población y los sectores de la producción y los
servicios y persisten bajos niveles de aprovechamiento económico de residuales
en la mayoría de las empresas.
Entre los principales contaminantes del agua se encuentran los
plásticos, pues genera un
número considerable de desechos post consumo, los cuales, por su probada resistencia
a los agentes biológicos y atmosféricos, son productos nocivos al medio y por
otra parte la capacidad de algunas sustancias tóxicas de desprenderse desde los
plásticos y los factores que favorecen esa liberación de las mismas, es
otro de los aspectos más preocupantes que se analizan actualmente.
Investigadores del Instituto de Ecología
de Agua Dulce y Pesca Interior de Leibniz y de la Universidad Libre de Berlín
(Alemania) advierten de que el impacto de los microplásticos
en suelos, sedimentos y aguas superficiales podría tener un efecto negativo a
largo plazo en los ecosistemas terrestres de todo el mundo. En realidad, la
contaminación terrestre por partículas de plástico es mucho mayor que la de los
mares, entre 4 y 23 veces más, dependiendo del lugar y el entorno.(Residuos
Profesional, 2018)
De acuerdo con la fuente antes citada las
aguas residuales son un importante factor en la distribución de microplásticos, debido a que entre el 80 y el 90% de las
partículas contenidas en estas aguas, persisten en los lodos que
posteriormente, en muchos casos, se usan como fertilizantes agrícolas, lo que
supone que miles de toneladas de microplásticos
pueden acabar en los suelos cada año. Algunos microplásticos
tienen propiedades con potenciales efectos dañinos sobre
los ecosistemas.
De acuerdo con Barcia
(2018),en Cienfuegos se
constató la presencia de microplásticos en los
sedimentos, el agua y organismos marinos en la bahía,
éstas micropartículas de plástico suspendidas en la
columna de agua pueden absorber contaminantes orgánicos y quedar disponibles
para organismos filtradores, de esta forma se acumulan en toda la cadena
trófica hasta llegar al hombre.
Entre
las principales fuentes de contaminación se encuentra la
Empresa de Recuperación de Materas Primas que la cual cuenta con la Planta de Plástico que recupera, procesa y vende
los residuos generados por la población, la industria y demás organizaciones.
El proceso productivo cuenta con dos unidades
procesadoras (PAGANI y PAGANI PET), las cuales utilizan grandes volúmenes de
agua siendo el
molino y la lavadora de fricción, los equipos que mayor cantidad utilizan, sin
embargo, pudo comprobarse que el agua aquí utilizada es vertida al medio y que
en su composición contiene sólidos y partículas en suspensión que son
perjudiciales a este.
Por otra parte, se conoció que estudios
anteriores realizados por el Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos
(CEAC) pudo comprobarse que el valor de plomo en la muestra de la entrada a la
trampa de residual, supera el valor que está normado, pero en la salida está
por debajo de este valor por lo que el sistema de tratamiento de residual
existente en la empresa no logra eliminar todo el material flotante por lo que
no cumple con su función.
Después
tener en cuenta estos resultados y realizar diferentes visitas a la Planta
"PAGANI PET" con el propósito de familiarizarnos con el proceso se
inicia la investigación.
Se comprobó que el agua de entrada llega
desde un tanque en alto a través de tuberías de acero galvanizado de diámetro
igual a 60mm. Se realiza una medición
del flujo de agua mediante el Caudalímetro SITRANS FUP1010 y los datos obtenidos demostraron que el flujo total es
de 3,50 m3/h, por lo que en una jornada de 8 horas el consumo del
líquido será de 28 m3 y para una jornada de 16 horas será de 56 m3,
como valores máximos para cada turno de trabajo. Debido a que durante el
proceso de reciclaje de plástico no se producen pérdidas apreciables de agua,
además de que no hay equipos donde se alcancen temperaturas mayores e iguales a
100 °C, entonces se puede asumir que el flujo de agua que entra al proceso es
aproximadamente igual al flujo de agua residual que sale del proceso para el
balance de materiales a realizar: Fagua
entrada = Fagua salida =
3,50 m3/h.
Como segundo paso se tomaron muestras de agua de
entrada al proceso y se realizaron mediciones de diferentes parámetros como
fueron dureza, conductividad, solidos totales disueltos, turbiedad y solidos totales
suspendidos.
Se comprobó también que el filtro instalado lleva averiado cerca de 6 meses,
pero que además su capacidad de filtrado no es suficiente para satisfacer las
demandas del proceso ya que no puede procesar todo el volumen de residuales
producidos en días donde la materia prima está muy sucia.
A
partir del conocimiento de estos elementos se procedió a realizar otros
análisis al agua residual, tomándose las muestras en
distintos días, tanto cuando la materia prima que entraba a la planta estaba
muy sucia como cuando estaba bastante limpia, debido a su procedencia. Estas
muestras se extrajeron de la zanja donde se unen los flujos de agua procedente
de los distintos equipos del proceso. Se tamizaron las muestras y se determinó
el por ciento de sólidos suspendidos de gran tamaño que pueden ser retirados de
las aguas y que en su mayoría son macropartículas de plástico. La muestra fue
de 500ml y el tamiz de malla 20 cuyo diámetro de orificio es de 0,833 mm. Y se demostró que, el peso de sólidos en base húmeda
retenidos en Malla como promedio será aproximadamente:
Tabla 1. Peso
de sólidos promedio en base húmeda retenidos en Malla
|
Para 1 litro
|
Para 1 m3
|
Para 1 hora
|
Para 8 horas
|
Para 16 horas
|
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0,07596 Kg
|
75,960 Kg
|
265,860 kg
|
2126,88 kg
|
4253,76 kg
|
Fuente:
datos de la investigación
Elaborado
por: autoría propia
Se evidencia la presencia de grandes cantidades de sólidos en
suspensión, en su mayoría de macropartículas de plástico, que pudiera estar
originado por el hecho de que el canasto de la centrífuga instalada posee un
diámetro de orificio de 2 mm por lo que una gran cantidad de partículas con
diámetro menor de igual a 2 mm escapan a través de los orificios de dicho
canasto y terminan en los residuales de la planta. También contribuye a ello
que las tuberías de otros equipos del proceso no están en el mejor estado.
Se comprobó
que el agua posee en determinados casos altos valores
de dureza, llegando a alcanzar valores de 300 mg/L, sin embargo, no existe
grandes diferencias entre el promedio de estos datos y la dureza del agua de
entrada al proceso.
De manera general el agua residual tiene
un pH prácticamente neutro en su mayoría, muy poco por debajo del pH registrado
para el agua de entrada, lo cual es de vital importancia para los ensayos de
coagulación-floculación. Aunque en el caso de algunas muestras que tienen un pH
bajo con respecto a las demás, puede ser motivo de que el agua estuvo más de un
día almacenada antes de que se le midiera el pH, por lo que la materia orgánica
presente pudo haberse descompuesto dando lugar a la formación de CO2,
sustancia responsable de la disminución del pH del agua.
Los datos de conductividad y sólidos
totales disueltos, obtenidos en el laboratorio, indican que no hay diferencias
significativas entre el agua de entrada y de salida respecto a estos
parámetros, lo que pudiera ser producto a que tanto las partículas de plástico
como muchas de las materias que los acompañan presentes en los residuales no se
disuelven en agua, se mantienen en suspensión.
Los análisis de turbiedad realizados en el
laboratorio evidenciaron que hay grandes diferencias entre la turbiedad y los
sólidos totales suspendidos del agua residual y del agua de entrada al proceso
como era de esperarse, producto a que la mayor cantidad de sustancias presentes
(micropartículas de plástico) no se disuelven, sino
que se mantienen en suspensión.
Para analizar el comportamiento de la
Turbiedad y por ende de los Sólidos Totales Suspendidos con el paso del tiempo,
se realizaron dos pruebas, y el resultado fue idéntico. En ambos casos se
apreció con claridad que a medida que pasa el tiempo la Turbiedad y por ende
los Sólidos Totales Suspendidos comienzan a disminuir exponencialmente, pero
después de los 30 minutos y hasta el cabo de una hora esta disminución permanece
prácticamente constante, llegando a ser inapreciable su disminución en el
tiempo, incluso hasta para un tiempo de 24 horas de reposo, apreciándose a
simple vista que aún mantenían la misma turbiedad.
Es evidente entonces que no es viable
tratar estas aguas residuales por sedimentación natural por los altos tiempos
de retención que presenta, por lo que se decide realizarle tratamientos
químicos que disminuyan la estabilidad de los coloides y formen flóculos de un tamaño adecuado que les permita sedimentar
con facilidad sin afectar la continuidad del proceso productivo.
No se encontraron referentes acerca de
dosis recomendadas de coagulantes, para este tipo de agua residual procedente
de proceso de reciclaje de PET, por lo que se partió de un tanteo error para
encontrar las dosis de tres tratamientos (alúmina, cal-soda y cal-soda-alúmina)
que mejores resultados ofrezcan, y posteriormente replicarlos.
De acuerdo con el diseño de experimento
proyectado se pudo constatar que existen varias similitudes en el
comportamiento de la turbiedad con el transcurso del tiempo para las tres
réplicas con cada dosificación de cal-soda, alúmina y cal-soda-alúmina
respectivamente. Quedando demostrado que la dosificación que mejores resultados
arrojó fue la de 0,1 ml de alúmina por cada 200ml de agua residual, lo que
representa 0,5 ml de la solución de alúmina de concentración 1,4 mol/L por cada
litro de agua residual que se produce; ya que se obtuvieron casi los mismos
valores de turbiedad al cabo de tres horas para la muestra 2 y para la muestra1
con esta dosis, aun cuando la turbiedad de la muestra 2 tenía una turbiedad
mucho mayor con respecto a la 1, no comportándose así para el caso de los dos
restantes tratamientos.
De
acuerdo con los análisis estadísticos realizados (análisis exploratorios de los
datos, análisis del efecto de los tratamientos y análisis de la variabilidad
del proceso), el Sesgo y la curtosis estandarizada,
se encuentran dentro del intervalo (-2 a +2); los factores tienen un
efecto estadísticamente significativo sobre las variables de respuesta (95% de
confianza) y existen diferencias estadísticamente significativas entre las
medias de las 3 variables (95,0 % de confianza), respectivamente; por lo que los
resultados obtenidos y las conclusiones arribadas son estadísticamente
confiables.
Diseño del sistema de
sedimentación
Teniendo
en cuenta que el máximo flujo de agua a tratar es de 28 m3 para 8
horas, se propuso un sistema de tratamiento donde los sedimentadores sean del
tipo cilindro-cónicos normales y trabajarán a Batch, sin rascadores de fondo;
se procederá a llenarlos a razón del mismo caudal del agua que sale del
proceso, para que el tiempo de residencia del agua residual en la cisterna sea
el mínimo posible. El agua del primer sedimentador se podrá recircular al
proceso, y el agua del segundo sedimentador quedará lista para el día
siguiente, el tercer sedimentador se prevé para cuando la planta trabaje 16
horas.
Se
estableció que la bomba necesaria para este sistema de bombeo fuera como sigue:
Tabla 2. Características
de la bomba necesaria para este sistema de bombeo
|
Modelo
|
RNI
32-16
|
|
Frecuencia
|
60 Hz
|
|
rpm
|
1450 rpm
|
|
Diámetro de aspiración
|
50 mm
|
|
Diámetro de impulsión
|
32 mm
|
|
Flujo
|
3,5 m³/h
|
|
Carga del sistema
|
10 m
|
|
Punto específico
|
1
|
|
Potencia
|
0,3 kW
|
|
Potencia máxima
|
0.73CV (0.54Kw)
|
|
Eficiencia
|
31,75 %
|
|
NPSHr
|
0,48 m
|
Fuente:
datos de la investigación
Elaborado
por: autoría propia
Y para
diseñar este sistema de dosificación se tuvo en cuenta el principio de la
cubeta invertida, que el flujo de solución de alúmina a dosificar es de 4,86
*10-7 m3/s y que la altura con la que se trabajará en este caso es aquella
entre el nivel del líquido y el centro de la tubería de descarga (2,5 m) para
asegurar que la dosis específica de la solución de alúmina, sea succionada
dentro de la tubería y se mezcle con el agua, aprovechando el régimen de flujo
turbulento en la tubería. Para la determinación del diámetro de la tubería de
dosificación se partió de aplicar la ecuación de Bernoulli entre las secciones
del nivel de líquido para la cubeta invertida y la entrada de la tubería de
descarga del sistema obteniéndose que el de diámetro de la tubería que
succionará la solución de alúmina es de 0,003 m.
Por último, se tuvo en cuenta que, de acuerdo con un informe de la ERMP, el agua se paga a un precio de 1.55 cuc/m3 y la planta consume de 480-560 m3
por meses como promedio. Estimando que como promedio se recupere el 85% del
agua residual, se pueden ahorrar entre 408-476 m3 por mes (entre
4896 y 5712 m3 anualmente), con un efecto económico entre 632,4 y
737,8 cuc por mes.
Dentro de los distintos gastos a incurrir se
encuentran:
Costos de inversión = 2651,87 cuc y Gastos fijos = 339,46 cuc/año
Analizando que se ingresen como mínimo
7588,8 cuc anualmente por ahorro de agua, el Costo
Total de inversión representa un 34,94% de los ingresos y los Gastos Fijos
representan un 4,5% de los ingresos, por lo que en un año quedará un superávit
de aproximadamente 4597,47 cuc.
CONCLUSIONES
Por
ser la ERMP una empresa de pequeños ingresos y además no disponer de áreas para
suficientes cambios tecnológicos, el sistema propuesto para el tratamiento de
sus aguas residuales no debe ser complejo.
Las aguas residuales de la
ERMP de Cienfuegos tienen una composición muy heterogénea, lo que hace difícil
un diseño de máxima eficiencia y eficacia, estando el más apropiado, en el
empleo de 0,5 ml de la solución de alúmina de concentración 1,4 mol/L, por cada
litro de agua residual a tratar.
La recirculación de las aguas residuales una vez tratadas, permiten un
ahorro de agua entre 4896
y 5712 m3 anualmente, con un efecto económico entre 7588,8 y 8853,6 cuc en este periodo.
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