3. METODOLOGÍA

3.1 Metodología general de recolección de las aguas residuales del proceso de aprovechamiento de desechos de crustáceos

Durante el proceso de extracción de quitina y quitosano se consideran cuatro pasos

importantes: lavado somero, desmineralización, desproteinización y desacetilación.

Cada una de estas etapas es seguida por un proceso de lavado en el cual se recupera la

fracción sólida desechando completamente la fracción líquida representando esto un

efluente del proceso. En total se tuvo la producción de cuatro diferentes efluentes

correspondientes a las etapas de procesamiento, y se obtuvo un efluente complejo

mezclando la totalidad de estos. En la Figura 8 se muestra el proceso general de

extracción los puntos de generación de efluentes.

3.2 Caracterización de los efluentes Los efluentes producidos en cada etapa del procesamiento se recolectaron en su

totalidad, tomando alícuotas para su análisis. Se analizaron diversos parámetros como:

DQOt, DQOs, perfil de sólidos suspendidos totales y volátiles, pH, amonio,

conductividad y nitrógeno orgánico En la Tabla 7 de la sección de resultados se

muestran los diversos parámetros analizados, explicando la aplicación de técnicas

analíticas en el apartado de métodos analíticos descrito más adelante.

3.3 Estudios en Lote Los estudios en lote para la determinación de la actividad metanogénica específica,

actividad desnitrificante, pruebas de inhibición y de biodegradabilidad, se realizaron por

triplicado en botellas serológicas de 120 mL. Las condiciones de operación en lo que

respecta al volumen y relación sustrato/biomasa (S/X) se modificaron según el análisis

realizado. Se taparon con tapones de caucho y arillos de aluminio, y la temperatura de

incubación fue de 35°C. El arreglo experimental para el monitoreo de producción de

biogás fue en continuo por desplazamiento de una solución de NaOH al 3% como se

muestra en la Figura 9.

Figura 8. Proceso de extracción para el aprovechamiento de desechos de crustáceos

y puntos de generación de efluentes.

Materia Prima (caparazón de jaiba)

Lavado Somero (LS)

Secado

Desmineralización (DM)

Lavado y Secado

Desproteinización (DP)

Lavado y Secado

Quitina

Desacetilación (DA)

Lavado y Secado

Quitosano

Efluente 1

Efluente 2

Efluente 3

Efluente 4

Efluente Compuesto

1) Botella Serológica, 2) Solución de NaOH al 3% y 3) Probeta para medir NaOH desplazado.

1

2

3

Figura 9. Medición de biogás.

3.3.1. Actividad Metanogénica Especifica (AME) La actividad metanogénica específica (AME = gDQO-CH4·gSSV-1·d-1) se define como

la velocidad de producción de metano, expresado como DQO, con respecto a la biomasa

medida como el contenido de sólidos suspendidos volátiles (SSV).

La determinación de la AME se realizó con un volumen de operación de 100 mL y una

relación S/X=0.72 gDQO·gSSV-1. La cinética se monitoreó cada 2 horas durante un

periodo de 24 horas. Se utilizó acetato como fuente de carbono.

Mediante la Ecuación 1, se determinó la actividad metanogénica específica. El volumen

de gas producido con respecto al tiempo fue recalculado tomando en cuenta la

temperatura de la cinética y la presión atmosférica de la ciudad de Hermosillo, Sonora.

AME = mγCH4

DQO·X

Ec 1.

En donde:

Pendiente = m = LCH4

dSTP

Biomasa = X = gSSVL

Conversión de metano γCH4DQO

= 0.35LCH4

gDQO

Se usó el medio mineral de Visser (1995) mostrado en la Tabla 4.

3.3.2 Pruebas de Inhibición Las pruebas de inhibición permiten conocer la concentración a la cual la actividad

biológica se ve reducida en un 50% y en un 100%, respectivamente, y se expresa como

IC50 e IC100 para un compuesto dado.

Para la realización de las pruebas de inhibición se siguió la misma metodología que en la

sección 3.3.1. La concentración utilizada de NH4+ y NO3

- se varió de 1 a 4 g·L-1,

realizando cinéticas de inhibición para cada compuesto, así como la mezcla de los dos

con una relación de gNO3- :gNH4

+ de 1:1, 1:2, 1:3, 2:2, 2:3, 3:3.

3.3.2 Pruebas de Biodegradabilidad Metanogénica de la mezcla compuesta En pruebas de biodegradabilidad anaerobia se mide la velocidad de degradación de un

compuesto en relación a un compuesto patrón (por ejemplo, acetato) determinando sus

AME.

Las pruebas de biodegradabilidad se llevaron a cabo en botellas serológicas con un

volumen de operación de 100 mL y un espacio de cabeza de 20 mL. La muestra

problema se diluyó en una relación 1:10 dando como resultado una relación S/X=0.68

gDQO·gSSV-1. Se siguió la cinética de degradación por un lapso de tiempo de 72 horas,

realizando muestreos cada 4 horas las primeras 24 horas y de 6 horas hasta finalizar la

cinética.

3.3.3 Actividad Desnitrificante

La actividad desnitrificante (gNO3- ·gSSV-1·d-1) se define como la velocidad de consumo

de nitrato, con respecto a la biomasa expresada como el contenido de sólidos

suspendidos volátiles (SSV).

Se utilizo medio mineral descrito en la Tabla 5 y un volumen de operación de 100 mL,

estableciendo un pH neutro con NaHCO3. Con una relación S/X=0.7083 gNO3- ·gSSV-1,

y una C/N=3, siendo esta la usada en la operación del reactor en continuo.

Tabla 4. Medio mineral propuesto por Visser (1995) para pruebas en lote.

Macronutrientes Compuesto mg·L-1 NaH2PO4·H2O 703 K2HPO4 600 NH4Cl 280 MgSO4·7H2O 111 CaCl2·2H2O 6 NaHCO3 1000 Extracto de levadura 20 Soln. de elementos traza 1 ml·L-1 Solución de elementos traza Compuesto mg·L-1 FeCl2·4H2O 2000 MnCl2 500 EDTA 500 Na2SeO3 100 H3BO3 50 ZnCl2 50 (NH4)6Mo7O24·4H2O 50 AlCl3 50 NiCl3·6H2O 50 CoCl2·2H2O 50 CuCl2·2H2O 50 HCl concentrado 1 ml·L-1 EDTA: Ácido Etileno Diamino Tetracético

Tabla 5. Composición del medio mineral desnitrificante.

Compuesto mg·L-1 KH2PO4 2000 CaCl2 226.5 Na2MoO4-2H2O 69.1 MgSO4-7H2O 818.3 C6H12O6 900 FeCl3-6H2O 166.5 CuSO4 38.3 NaNO3 680 Fuente: Martínez-Hernández, 2003

3.4 Estudios en continuo

3.4.1. Armado y montaje de reactores Los reactores utilizados para el tratamiento fueron los siguientes: un reactor de lecho

expandido de lodos granulares (EGSB) y un filtro aerobio empacado con zeolita natural.

La configuración de los reactores es similar, difiriendo solamente en el empaque de la

columna del reactor. En la Figura 10 se presenta la configuración de los reactores.

En la Figura 11 se muestra el diagrama esquemático de los reactores conectados en serie.

Este arreglo permitió unir los dos sistemas teniendo así un sistema anaerobio-aerobio.

3.4.2. Reactor desnitrificante Los estudios se llevaron a cabo en un reactor EGSB de acrílico con un volumen de

operación de 3.8 L, 1.2 m de altura y un diámetro interno de columna de 4.6 cm., con un

tiempo de residencia hidráulica (TRH) de 1 día, velocidades ascensionales (Us) de 2.4 a

10 m·h-1 a 30 ºC y sin regulación de pH. Operándose básicamente en dos etapas descritas

en los siguientes apartados. En la Figura 10 se muestra el diagrama del reactor EGSB.

a) Inoculo El reactor se inoculó con 400 mL de biomasa con un contenido de SST y SSV de 62.7 y

30.15 g·L-1 respectivamente, provenientes de un digestor anaerobio de la Planta

Tratadora de Aguas Residuales de Cervecería Modelo del Noroeste S.A de C.V. Estos

lodos fueron adaptados a condiciones desnitrificante usando glucosa y nitrato de sodio.

b) Arranque y Aclimatación (Medio Mineral Sintético) En esta etapa se usaron concentraciones de glucosa y acetato de sodio de 1 gC6H12O6·L-1

y 1.78 gNaNO3·L-1 respectivamente, dando una relación C/N de 1.4, las relaciones C/N

se modificaron gradualmente hasta 4. El medio mineral utilizado en la etapa de

aclimatación y arranque del reactor se presenta en la Tabla 5.

Figura 10. Configuración de los reactores anaerobio y aerobio.

1) Cabezal, 2) Columna, 3) Tornillos de acero inoxidable, 4) Salida (Efluente), 5) Entrada (Influente) y 6) Salidas laterales para toma de muestra.

Figura 11. Diagrama esquemático de los reactores en serie.

1) R. Desnitrificante, 2) Filtro Aerobio Nitrificante, 3) Empaque de Zeolita Natural, 4) Sedimentador, 5) Columna de Aireación, 6) Reservorio-Sedimentador, 7) Medidor de Biogás y 8) Bombas peristálticas.

c) Operación con efluente real Una vez finalizado los periodos de aclimatación y arranque, se procedió a la formulación

del medio con efluente real (mezcla compuesta) del proceso de aprovechamiento de

desechos de jaiba. La mezcla compuesta de diluyó en una relación 1:10 para ajustar a

una concentración de DQO de 2 gDQO·L-1 aproximadamente. Se adicionó con 1.3

g NO3- y se neutralizó el pH con NaOH 10N.

3.4.3. Filtro aerobio nitrificante Los estudios en continuo se llevaron a cabo en una columna de acrílico de 1.2 m de

altura y un diámetro interno de columna de 5.3 cm, con un volumen de operación de 3 L.

La columna fue empacada con zeolita natural, tamizada en malla No.2 y No.4 (4.76

mm), dando como resultado un volumen operacional de 1.7 L. Se fijó un TRH de 1 y 0.5

días en las etapas de arranque y aclimatación, respectivamente, con velocidades

ascensionales de 8 a 10 m·h-1, a 30 ºC, y sin regulación del pH. La fuente de oxígeno fue

proporcionada con aire atmosférico, utilizando una columna de saturación externa. El

filtro aerobio (Figura 11) se operó básicamente en dos etapas, descritas en los siguientes

apartados.

a) Inoculo El filtro se inoculó con biomasa aerobia de las lagunas aireadas de Cervecería Modelo

del Noroeste S.A de C.V.

b) Arranque y Aclimatación (Medio Mineral Sintético) El arranque del filtro aerobio se inició con una velocidad de carga de 4gDQO·L-1·d-1 y

una carga de nitrógeno de 0.16 gNH4+·L-1·d-1, a fin de permitir la rápida colonización del

reactor. En esta etapa, dicho reactor se operó como un proceso de lodos activados; una

vez logrado este propósito, la carga orgánica se redujo gradualmente hasta omitir por

completo la fuente de carbono, manteniendo la carga de nitrógeno y dejando así

condiciones completamente nitrificantes.

En la operación bajo condiciones nitrificantes se utilizó una relación estequiométrica

C/N de 1.7, hasta alcanzar eficiencias de remoción de amonio mayores de 90%. La carga

de amonio se aumentó gradualmente de 0.16 hasta un máximo de 0.5 gNH4+·L-1·d-1. El

medio mineral utilizado en la etapa de aclimatación y arranque del reactor se presenta en

la Tabla 6.

c) Operación con efluente real Una vez finalizado los periodos de aclimatación y arranque teniendo altas eficiencias de

remoción de compuestos carbonados y nitrogenados, se procedió a la conexión en serie

de los reactores teniendo así, un sistema acoplado o tren de tratamiento de los efluentes

de dos etapas: la primera etapa consiste en la aplicación de un proceso anaerobio

desnitrificante para la remoción de nitrato y DQO, con la producción de cantidades

significativas de amonio y biogás (nitrógeno molecular principalmente) y una segunda

etapa en la que se utilizó un proceso aerobio nitrificante en la cual se oxida el amonio

producido durante el proceso anaerobio produciendo nitrato, el cual puede ser

recirculado a la primera etapa. En la Figura 12 se muestra la metodología general del

tratamiento anaerobio/aerobio de efluentes contaminados.

Tabla 6. Composición del medio mineral nitrificante.

Compuesto mg·L-1

NH4Cl 980

KH2PO4 1400

CaCl-2H2O 66.5

MgSO4-7H2O 379.9

NaHCO3 3000

NaCl 1000

Fuente: Martínez-Hernández, 2003

Figura 12. Tren de tratamiento de las aguas residuales del procesamiento de desechos de jaiba.

3.4.4. Parámetros operacionales de los reactores en continuo

S = Concentración de DQO g·L-1

á

Tasa de recirculación R RF LdF Ld Flujo de recirculaciónFlujo de alimentación

ó % · 100

· í

1

Donde:

ó

Á

3.5 Métodos analíticos

3.5.1 Demanda Química de Oxígeno (DQO) Se determinó la DQO mediante la técnica de reflujo cerrado. Se tomaron las muestras a

la entrada y salida del reactor. A 2 mL de muestra, se les adicionó 1 mL de solución

digestora de K2Cr2O7 con sulfato de mercurio y 2 mL de ácido sulfúrico con sulfato de

plata, posteriormente se homogenizaron en un agitador tipo vortex durante 1 minuto y se

digirieron en una parrilla de calentamiento a 150 °C durante 2 horas. Se cuantificó la

concentración DQO en un espectrofotómetro UV visible a 620 nm y haciendo uso de la

curva estándar de glucosa anhídrida, (sección A.1).

3.5.2 Nitrato (NO3- )

Su cuantificación se realizó con el kit Nitra-Ver de alto rango Hach. A 10 mL de

muestra tomada del influente y efluente de los reactores, se les adicionó un sobre de

reactivo, posteriormente se mezclaron por 1 minuto y de dejaron en reposo por espacio

de 5 minutos. La concentración de las muestras fue determinada en un espectrofotómetro

UV visible a 500 nm y haciendo uso de la curva estándar de nitrato de sodio anhídrido,

se cuantificó el NO3- (sección A.3).

3.5.3 Nitrito (NO2- )

Se determinó con el kit Nitri-Ver de bajo rango Hach. A 10 mL de muestra de influente,

así como al efluente de los reactores, se les adicionó un sobre de reactivo,

posteriormente se mezclaron por 1 minuto y de dejaron en reposo por espacio de 10

minutos. La concentración de las muestras fue determinada en un espectrofotómetro UV

visible a 500 nm y haciendo uso de la curva estándar de nitrito de sodio anhídrido, se

cuantificó el NO2- (sección A.4).

1.5.4 Amonio La determinación de nitrógeno (NH3) en la caracterización de los efluentes del proceso

de aprovechamiento de desechos de jaiba se realizó por métodos estándares (1998).

La concentración de amonio (NH4+) de los influentes y efluentes de los reactores se

determinó por el método de Bower y Holm-Hansen (1980). El procedimiento se realiza

de la siguiente manera: se toma 1mL de muestra diluida, se añaden 120µL de reactivo de

salicilato-catalizador y 200µL de solución combinada de hipoclorito de sodio-citrato, y

se mezcla en un agitador tipo vortex por 30 segundos, posteriormente se resguardan en

oscuridad durante 2 horas y se leen en un espectrofotómetro UV visible a 640 nm. La

cuantificación de la concentración se realizó en base a la curva estándar de amonio

(sección A.2).

1.5.5 Sólidos suspendidos La medición de los sólidos suspendidos se realizó siguiendo métodos estándares (1998).

Para la determinación de los sólidos suspendidos totales, la muestra es secada a 110º C

durante una hora. Posteriormente, para cuantificar los sólidos suspendidos fijos, la

muestra es calcinada durante una hora a 550º C. La cantidad de sólidos suspendidos

volátiles presentes en la muestra es obtenida por diferencia entre los sólidos suspendidos

totales y los fijos y es considerada como la biomasa presente en el lodo.

La concentración de sólidos suspendidos totales (gSST·L-1) se calcula de la siguiente

manera:

gSSTL

= A - BV

Donde:

A = peso del crisol (g)

B = peso del crisol + muestra (g) a 110°C

V = volumen de la muestra (L)

Para los sólidos fijos (gSSF·L-1), la formula es la siguiente:

gSSFL

= C - AV

Donde:

C = peso del crisol + muestra (g) a 550°C

Por último, los sólidos suspendidos volátiles (gSSV·L-1) son obtenidos por diferencia:

gSSVL

= gSSTL

- gSSFL

1.5.6 Oxígeno disuelto (OD) El análisis del oxigeno disuelto mide la cantidad de oxigeno gaseoso (O2) en una

solución acuosa, esta se realiza en muestras tomadas recientemente y se analizan

inmediatamente. La concentración de OD (mg·L-1) se determinó con un electrodo OBD

de Fisher Scientific modelo 13-620-SSP. La medición de oxígeno disuelto se midió

directamente en el cabezal del filtro aerobio nitrificante.

1.5.7 Potencial de hidrogeno (pH) Para su determinación se utilizó un potenciómetro marca Accumet modelo XL60 de

Fisher Scientific, calibrado diariamente con buffers pH 4, 7 y 10. Las muestras a las

cuales se les determinó este parámetro fueron al influente y efluente de cada reactor.

1.5.8 Conductividad eléctrica La determinación se midió con un conductímetro Myron modelo DCH4 calibrado

previamente. Este parámetro se determinó para las aguas residuales del proceso de

aprovechamiento de desechos de jaiba.

1.5.9 Cuantificación de Biogás El biogás producido se midió mediante la técnica de desplazamiento (Figura 13) de una

solución saturada de NaCl (300 gNaCl·L-1), ajustada a un valor de pH menor a 2 con

HCl concentrado para impedir la disolución de CO2 y como indicador del cambio de pH

por disolución de H2CO3 se usó rojo de metilo. El volumen desplazado se midió en una

columna de 4.45 cm de diámetro interno con una altura de 25 cm, cuya capacidad de

medición de biogás fue de 15.56 mLbiogás·cmdesplazado-1.

1) Columna de Biogás, 2) Solución saturada de NaCl, 3) Entrada de Biogás y 4) Válvula de purga.

Figura 13. Medidor de Biogás.

La determinación del volumen de biogás producido se realizó de la siguiente manera:

Á ·4

Volumen por centímetro desplazado = cm3 = mL = Ar · h

Producción de Biogás = mLd

=Ar · h

t

Donde: = diámetro de la columna = cm

h = altura desplazada en la columna = cm

t = tiempo transcurrido de la medición = día

1.5.10 Alcalinidad La medición se realizó de acuerdo a métodos estándares (1998). Para su determinación

se tomaron 50 mL de muestra de influentes y efluentes de los reactores y se titularon con

acido sulfúrico 0.1N, registrando los valores de ácido gastado. Posteriormente se

procedió al cálculo de las concentraciones de carbonato (CO3-) y bicarbonato (HCO3

-) de

la siguiente manera:

Resultados Volumen de ácido gastado correspondiente a: Bicarbonato (HCO3

-) Carbonato (CO3-)

P = 0 T 0 P < ½ T T – 2P 2P P = ½ T 0 2P P > ½ T 0 2(T - P) P = T 0 0

P = ml de ácido gastados a pH=8.1 (si el pH es menor, P = 0) T = ml de ácido gastados a pH=4.5

Bicarbonato:

HCO3- mg

L = A · N · 61 · 1000

M

Carbonato:

CO3= mg

L=

A·N·30·1000M

Donde:

A = mL de ácido gastado

N = normalidad del ácido

M = mL de muestra

61 y 30 = peso molecular del bicarbonato y carbonato, respectivamente

1000 = factor de conversión de mL a Litros