Resumen

Fenton, es uno de los procesos de oxidación avanzada, basado en el uso de radicales hidroxilo para la oxidación química de contaminantes, fue evaluado para la depuración del efluente de un digestor anaerobio de un rastro.

El efluente presenta valores iniciales de demanda química de oxígeno (DQO) en DQO_total de 1159.2 mg/L y DQO_disuelta de 342.9 mg/L. El proceso oxidativo fue monitoreado mediante la DQO_disuelta determinada por el método de reflujo cerrado. Las concentraciones iniciales de sulfato ferroso (FeSO₄.7H₂O) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂) fueron las variables estudiadas, con valores de 0.5, 1 y 2 mM en el primer caso y de 200, 300 y 500 mg/L para el último.

Se evaluó la coagulación y la oxidación química, participantes en la remoción de la DQO, proceso que resultó ser muy rápido, pues en 10 minutos se alcanza una condición final estable, con una alta eficiencia en la remoción de la DQO total, del 95%, que permite el cumplimiento normativo.

Palabras clave

Reactivo de Fenton, procesos de oxidación avanzada, aguas residuales de rastro.

Abstract

The Fenton process, which is one of the advanced oxidation processes and is based on the use of hydroxyl radicals for the chemical oxidation of pollutants, was evaluated for the depuration of the effluent of an anaerobic digester of a slaugtherhouse.

Effluent has initial values of chemical oxygen demand (COD) of: COD_total of 1159.2 mg/L and COD_dissolved of 342.9 mg/L. The oxidative process was followed by the COD_dissolved determined by the method of closed reflux. Ferrous sulphate (FeSO_4.7H₂O) and hydrogen peroxide (H₂O₂) initial concentrations were the variables studied, with values of: 0.5, 1 and 2 mM in the first case and values of 200, 300 and 500 mg/L for the last one.

The coagulation and chemical oxidation were involved in the removal of COD, which was a very fast process. It was obtained a high efficiency in the total COD removal of 95%, which allows the regulatory compliance.

Keywords

Fenton's reagent, advanced oxidation processes, wastewater trace.

Introducción

El agua es un valioso recurso y según estadísticas, la fracción disponible para ser usada por el hombre (agua dulce en ríos, lagos y acuíferos) representa el 0.001% de agua estimada del planeta, equivalente entre 9000 y 14000 km³ al año ^[1]. Por ello es muy importante hacer un uso eficiente de este recurso reduciendo el consumo del mismo, así como el disponer de tecnologías que posibiliten su reúso que cumplan con la normatividad aplicable.

En este marco de necesidades y oportunidades de acción, surgen proyectos ambientales, como el caso del rastro municipal de la ciudad de León, Guanajuato en México. En el país hay 1141 centros de sacrificio de especies pecuarias, de los cuales 55 se ubican en el estado de Guanajuato y representa sólo el 4.8%. Cinco de estos centros de sacrificio son establecimientos de tipo inspección federal ^[2].

El agua residual que se genera en estos centros se caracteriza por su alto contenido de materia orgánica y sales ^{[2, 3]}. En este proyecto se evaluó la depuración del efluente del digestor anaerobio instalado en el rastro de León, mediante el proceso Fenton, proceso de oxidación avanzada basado en la oxidación química mediante radicales hidroxilo (^•OH), que tienen un alto potencial de reducción (E°(^•OH/H₂O = 2.8 V/Standard Hydrogen electrode SHE)) ^[4]. Estos radicales pueden ser generados mediante el uso de distintas sales de metales de transición ^[5]; en esta reacción, denominada reacción de Fenton, se da la disociación del peróxido de hidrógeno (H₂O₂) en medio ácido, formando radicales hidroxilo, siendo el ión ferroso Fe²⁺, el que la inicia y cataliza (reacción 1) ^{[6, 7]}.

Los radicales hidroxilo pueden reaccionar entonces con los iones ferrosos, materia orgánica (reacciones 2 y 3) ^[7], formar radicales menos oxidantes como el hidroxiperoxilo al reaccionar con el peróxido de hidrógeno (reacción 4) ^[7] e incluso generar nuevamente peróxido de hidrógeno (reacción 5) ^[7].

Como se mencionó anteriormente, el proceso Fenton se lleva a cabo en medio ácido ^[5], encontrándose en este caso en ensayos previos el pH de 3 como el más adecuado, ya que también favorece la existencia de la especie Fe²⁺. Bajo esta condición se lleva a cabo la formación de hidroxocomplejos férricos [Fe(H₂O)₄(OH)₂] ^[8], que dan al proceso Fenton la capacidad de coagulación. El equilibrio químico es muy importante, pues para favorecer la condición de oxidación química debe existir en exceso H₂O₂. Hoy día este tipo de tecnologías tiene un gran desarrollo en aplicaciones con contaminantes recalcitrantes ^[4], pero en la década de los 80´s tuvo un gran desarrollo en aplicaciones a aguas residuales con contaminantes orgánicos ^[9] y últimamente ha crecido el uso combinado como pretratamiento o postratamiento ^{[10, 11]}.

El presente estudio evaluó la influencia de la concentración inicial de peróxido de hidrógeno (H₂O₂)o y de ión ferroso [Fe²⁺]_o en el proceso Fenton aplicado para depurar el efluente del rastro de León, considerando experiencias anteriores con aguas similares ^{[3, 12]}, a fin de poder desarrollar una propuesta tecnológica.

Materiales y reactivos

El agua con que se llevaron a cabo los experimentos, se tomó en la tubería de salida del digestor anaerobio, preservando las muestras a 4°C. La demanda química de oxígeno (DQO) se estableció como la variable para evaluar el proceso de depuración y se analizó conforme a la norma (NMX-AA-030/2-SCFI-2011), midiendo la fracción disuelta (DQO_d) para monitorear el proceso y la total (DQO_t) al inicio para fines comparativos.

El sulfato ferroso (FeSO₄.7H₂O) (99.9%), el peróxido de hidrógeno (30%) y otros reactivos, fueron grado analítico y adquiridos a Karal S.A. de C.V. La medición de pH se realizó con un equipo HACH Sension 156, las determinaciones colorimétricas fueron con un espectrofotómetro UV Evolution 300 UV-VIS, marca Thermo Scientific y para la DQO se usó un reactor de DQO, modelo HI839800 marca Hanna Instruments.

La determinación de hierro se basó en la medición de la absorbancia con el espectrofotómetro de UV a una λ = 508 nm del complejo formado entre el Fe²⁺ y la orto-fenantrolina, calculando la concentración mediante una curva de calibración ^[13]. La determinación de peróxido de hidrógeno se basó en la formación de un complejo con oxisulfato de titanio, la medición espectrofotométrica de la absorción a una λ = 406 nm ^[14] y la determinación de concentración mediante una curva de calibración.

Experimentación

Las reacciones tipo Fenton se llevaron a cabo en un reactor de 1 L, trabajando por lotes y monitoreando periódicamente el curso del proceso (tiempos de 0, 2.5, 5, 7.5, 10, 20, 30, 40, 50 y 60 minutos). La elección de los niveles de trabajo para las variables de Fe²⁺ y H₂O₂, se hizo considerando la caracterización del efluente y la estequiometría de la reacción de descomposición del H₂O₂.

Así, se estudió el comportamiento de la concentración de la DQO_d, con valores de Fe²⁺ de 0.5, 1 y 2 mM, valores de H₂O₂ de 200, 300 y 500 mg/L. En cada muestra tomada se midió la DQO_d, Fe²⁺ y H₂O₂.

Resultados

La tabla I, muestra los resultados de la caracterización del efluente del rastro en los parámetros de: demanda bioquímica de oxígeno (DBO₅), DQO_t, DQO_d, sólidos suspendidos totales (SST), conductividad y pH. Su análisis indica un alto contenido de materia orgánica, sólidos suspendidos y sales.

DBO5 (mg/L)	DQOt (mg/L)	DQOd (mg/L)	SST (mg/L)	Conductividad (mS/cm)	pH
205.2	1159.2	342.9	530	6.0	7.8

Tabla I. Caracterización de las aguas residuales del rastro.

En la figura 1 se muestra la interacción de los efectos del [Fe²⁺]_o y (H₂O₂)_o en la remoción de la DQO_d, mientras que en la Figura 2 se muestra el comportamiento de la DQO_d en la mejor condición de tratamiento.

Fig. 1. Interacción de los factores [Fe2+]0 y (H2O2)0, en el tratamiento Fenton.
Condiciones experimentales: DQOo(d) de 342.9 mg/L y pH de 3.

Fig. 2. Evolución del proceso oxidativo para una DQOo(d) = 342.9 mg/L, pH = 3, [Fe2+]o = 2 mM y (H2O2)o = 200 mg/L.

Al inicio se dio una rápida remoción de la DQO, por la generación de radicales ^•OH y iones Fe³⁺ (reacción 1), alcanzándose valores casi estables de DQO_d en 10 minutos, consistente con la rápida reducción que se observó de iones Fe²⁺ y H₂O₂. Las diferentes especies de hierro se redujeron drásticamente, lo cual indica la importancia del efecto de coagulación por la formación de hidroxocomplejos férricos que retiraron el hierro de la solución, generando en promedio 100 ml/L de sólidos sedimentables finales. Por otra parte, la rápida disminución observada de la concentración de H₂O₂, hizo evidente la oxidación química, a través del proceso Fenton (reacciones 1 a 5). Al aplicar el tratamiento Fenton al efluente problema los valores de la DQO_d más bajos se obtuvieron con una [Fe²⁺]_o de 2 mM para los diferentes niveles de H₂O₂ y fueron: 58.4 mg/L ((H₂O₂)o de 200 mg/L), 82.2 mg/L ((H₂O₂)_o de 300 mg/L) y 72.7 mg/L ((H₂O₂)o de 500 mg/L). Lo anterior se traduce a una mejora en la calidad del agua, que se confirma con lo mostrado en la Figura 3. Los mejores resultados se obtuvieron con el menor valor de (H₂O₂)_o, mientras que al aumentar su concentración es mayor la reacción no útil entre los radicales ^•OH formados y el H₂O² residual, por ser esta reacción más rápida como lo indican sus constantes cinéticas (reacción 1, K=70 M^-1s^-1 y la reacción 4, K=3.3X10⁷ M^-1s^-1) ^[15]; además de que los radicales hidroxiperoxilo generados (reacción 4), tienen menor poder oxidante que los radicales ^•OH.

Fig. 3. Tratamiento Fenton: efluente original (izquierda); al centro (efluente tratado con [Fe²⁺]_o = 1 mM y (H₂O₂)_o = 300 mg/L) y a la derecha (efluente tratado con [Fe²⁺]_o = 2 mM y (H₂O₂)_o = 200 mg/L).

Por otra parte, los ensayos realizados con concentraciones iniciales de Fe²⁺ y H₂O₂ fuera de los intervalos experimentales trabajados, mostraron la correcta elección de los mismos; pues a valores menores la calidad del agua tratada disminuía, mientras que en el caso contrario la calidad del agua tratada se mantenía prácticamente constante, pero con mayores concentraciones de hierro disueltas. Finalmente, el análisis de la cinética de la figura 2, sirve de base para el establecimiento de las condiciones de trabajo para la aplicación de este proceso a una escala mayor con la posibilidad de elegir 2 alternativas: a) bajos tiempos de retención, que implican menor tamaño del reactor y b) mayor tiempo de retención que implica un mayor tamaño de reactor y mejor eficiencia del tratamiento. Esto debe analizarse en conjunto con otros aspectos como la disponibilidad de terreno y el uso que se quiera dar al agua tratada.

Conclusiones

En este estudio, la mejor condición obtenida, fue una DQO_d residual de 58.4 mg/L, con las concentraciones iniciales de 2 mM de Fe²⁺ y 200 mg/L de H₂O₂; correspondiente a un porcentaje de remoción del 95%, lo cual garantiza el cumplimiento normativo del efluente tratado en los parámetros de interés referidos de DQO y DBO₅. Para la aplicación, en función del uso a que se pretenda destinar el agua tratada, se puede usar una menor concentración de hierro como la de 1 mM, lo que permite además del cumplimiento normativo, ahorro en el costo de reactivos. Esto se comprobó al hacer una caracterización del efluente tratado bajo la condición de [Fe²⁺]o de 1 mM y (H₂O₂)_o de 200 mg/L, obteniendo los siguientes valores: DBO₅< 7 mg/L, DQO_d de 79.3 mg/L, DQO_t de 95.4 mg/L, SST de 77 mg/L, valores inferiores a lo establecido en la NOM-001-SEMARNAT-2001. Los resultados mostraron un nivel de tratamiento adecuado lo cual abre la posibilidad de considerar el reúso del agua mediante el complemento con algunas otras tecnologías que así lo permitan.

Referencias

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