1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y DE RECURSOS NATURALES ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y DE RECURSOS NATURALES “SISTEMA FOTO-FENTON Y ADSORCIÓN PARA MEJORAR LA CALIDAD DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DE LA UNAC” TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO AMBIENTAL Y DE RECURSOS NATURALES WILSON ROBLES KQUERARE RICARDO ANIBAL CEVALLOS VILLEGAS Callao, 2021 PERÚ 2 3 4 5 6 DEDICATORIA Dedicamos esta investigación principalmente a Dios y de manera especial a nuestros padres por el apoyo incondicional y la confianza que siempre nos brindaron desde los inicios de nuestra formación. A nuestros maestros que nos brindaron todos sus conocimientos en toda la etapa de formación profesional en nuestra querida casa de estudios. Atte. Wilson Robles Kquerare Ricardo Anibal Cevallos Villegas 7 AGRADECIMIENTO Agradecemos en primer lugar a Dios por ser nuestro guía y apoyo, por darnos la bendición a nuestras familias y la fortaleza necesaria para seguir en los momentos difíciles en nuestra vida. A nuestros padres por ser nuestro soporte fundamental y por el apoyo incondicional que nos brindan cada día. A nuestro asesor de tesis, Ing. Godofredo Teodoro León Ramírez, quien gracias a sus conocimientos y experiencia se logró la culminación de este trabajo de investigación y a nuestro jurado evaluador que gracias a sus recomendaciones se logró realizar la presente tesis. 8 ÍNDICE ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................ 10 ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................. 11 RESUMEN ............................................................................................................... 12 ABSTRACT .............................................................................................................. 13 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 14 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................... 16 1.1. Descripción de la Realidad Problemática ................................................... 16 1.2. Formulación del Problema ......................................................................... 17 1.2.1.Problema Genera…………………………………………………….……17 1.2.2.Problemas Específicos…………………………………...……….………17 1.3. Objetivos .................................................................................................... 18 1.3.1.Objetivo General………………………………..………………………….18 1.3.2.Objetivos Específicos……………………………………………………...18 1.4. Justificación ............................................................................................... 19 1.5. Limitantes de la Investigación .................................................................... 20 II. MARCO TEÓRICO ............................................................................................... 21 2.1. Antecedentes ............................................................................................. 21 2.1.1.Internacional………………………………………………………………..21 2.1.2.Nacional……………………………………………………………………..25 2.2. Bases Teóricas .......................................................................................... 27 2.3. Conceptual ................................................................................................. 34 2.4. Definición de Términos Básicos ................................................................. 35 III. HIPÓTESIS Y VARIABLES ................................................................................. 38 3.1. Hipótesis .................................................................................................... 38 3.1.1. Hipótesis General………………………………………………………....38 9 3.1.2. Hipótesis Específicas……………………………………………………..38 3.2. Definición Conceptual de Variables ............................................................ 39 3.3. Operacionalización de Variables ................................................................ 39 IV. DISEÑO METODOLÓGICO ................................................................................ 41 4.1. Tipo y Diseño de Investigación .................................................................. 41 4.2. Método de Investigación ............................................................................ 41 4.3. Población y Muestra ................................................................................... 47 4.4. Lugar de Estudio y Periodo de Desarrollo .................................................. 48 4.5. Técnicas e Instrumentos para la Recolección de la Información ................ 48 4.6. Metodología ............................................................................................... 50 4.7. Análisis y Procesamiento de Datos ............................................................ 52 V. RESULTADOS .................................................................................................... 53 5.1. Resultados Descriptivos ............................................................................. 53 5.2. Resultados Inferenciales ............................................................................ 58 VI. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ......................................................................... 70 6.1. Contrastación y Demostración de la Hipótesis con los Resultados ............ 70 6.2. Contrastación de los Resultados con otros Estudios Similares .................. 71 6.3. Responsabilidad Ética ................................................................................ 74 VII. CONCLUSIONES .............................................................................................. 75 VIII. RECOMENDACIONES ..................................................................................... 76 IX. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 77 X. ANEXOS .............................................................................................................. 87 Anexo 1. Matriz de Consistencia ........................................................................... 87 Anexo 2. Instrumento Validado ............................................................................. 88 Anexo 3. Registro Fotográfico de la Metodología Experimental ............................ 92 Anexo 4. Costo de Tratamiento del Agua Residual……………..……………………99 Anexo 5. Fichas Técnicas de Reactivos y Equipos Utilizados ............................. 100 10 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Índice de biodegradabilidad. ..........................................................................29 Tabla 2. Tipos de procesos de oxidación avanzada. ...................................................30 Tabla 3. Matriz de operacionalización de variables. ....................................................40 Tabla 4. Diseño factorial de las dosis de sulfato ferroso y peróxido de hidrógeno. ......47 Tabla 5. Técnica de análisis de la demanda química de oxígeno. ...............................49 Tabla 6. Matriz factorial (factores y niveles del proceso foto-Fenton). .........................51 Tabla 7. Caracterización del agua residual antes del tratamiento. ...............................53 Tabla 8. Eficiencia de remoción de la DQO en el proceso foto-fenton. ........................54 Tabla 9. Análisis de la DQO después del tratamiento por adsorción. ..........................56 Tabla 10. Eficiencia de remoción de parámetros después del tratamiento por foto- Fenton y adsorción. .....................................................................................................57 Tabla 11. Resumen del diseño factorial. ......................................................................59 Tabla 12. Análisis de varianza (ANOVA). ....................................................................64 Tabla 13. Resumen de los estadísticos de bondad. ....................................................65 Tabla 14. Costo de tratamiento del agua residual. ......................................................99 11 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Diagrama del sistema de foto-Fenton y adsorción. .......................................43 Figura 2. Montaje del prototipo autónomo del sistema de foto-Fenton y adsorción......44 Figura 3. Diagrama de flujo del tren de tratamiento .....................................................45 Figura 4. DQO promedio después del tratamiento por proceso foto-Fenton ................55 Figura 5. Resultados de la remoción de parámetros del agua residual después del tratamiento de foto-Fenton y adsorción. ......................................................................58 Figura 6. Gráfica de probabilidad normal de residuos. ................................................60 Figura 7. Gráfica de varianza de residuos. ..................................................................61 Figura 8. Gráfica de independencia de residuos. ........................................................62 Figura 9. Diagrama de Pareto .....................................................................................63 Figura 10. Gráfica de efectos principales para la remoción de la DQO........................67 Figura 11. Gráfica de interacción para la remoción de la DQO. ...................................68 Figura 12. Gráfica de contorno para la remoción de la DQO. ......................................69 12 RESUMEN En el presente trabajo de investigación se determinó la eficiencia del sistema de foto-Fenton y adsorción para mejorar la calidad de las aguas residuales proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao. Como etapa inicial se construyó un equipo tipo bach de 5 L de capacidad para realizar pruebas experimentales con un sistema de recirculación de flujo de tratamiento de 8 LPM. En el proceso de foto-Fenton se empleó un diseño factorial para estudiar el efecto del peróxido de hidrógeno (H2O2) y del sulfato ferroso (FeSO4) sobre la eficiencia de remoción de la DQO (variable de respuesta). Se determinó el mejor tratamiento en base a la dosis de H2O2 (10 mL/L, 15 mL/L, 20 mL/L) y dosis de FeSO4 (100 mg/L, 150 mg/L, 200 mg/L); además, de manera constante se utilizó en línea una lámpara UV de 16 W de potencia, trabajando a un pH inicial del agua residual de 2,88. Los niveles óptimos para llegar a la máxima eficiencia de remoción de la DQO en el proceso foto- Fenton fueron de 15 mL/L de H2O2 (50% de concentración) y 150 mg/L de FeSO4 (99% de pureza) por un tiempo de tratamiento de 2 horas; después se ajustó el pH a un valor de 7,97 con hidróxido de sodio (50% de concentración). En el proceso de adsorción se utilizó un filtro de carbón activado de cáscara de coco de 500 g para asegurar la calidad del agua residual tratada cumpliendo con el ECA para Agua– Categoría 3: Riego de vegetales y bebida de animales de acuerdo a los parámetros estudiados. Después del sistema de tratamiento en conjunto de foto-Fenton y adsorción se llegó a una eficiencia de remoción de la DQO del 99,88%, DBO5 del 99,61%, aceites y grasas del 99,94%, detergentes del 99,99% y color del 90,00%. Palabras clave: Foto-Fenton, adsorción, tratamiento de aguas residuales, calidad del agua. 13 ABSTRACT In the present research work, the efficiency of the photo-Fenton and adsorption system was determined to improve the quality of the wastewater from the organic chemistry laboratory of the Faculty of Chemical Engineering of the National University of Callao. As an initial stage, a 5 L capacity bach type equipment was built to carry out experimental tests with an 8 LPM treatment flow recirculation system. In the photo- Fenton process, a factorial design was used to study the effect of hydrogen peroxide (H2O2) and ferrous sulfate (FeSO4) on the COD removal efficiency (response variable). The best treatment was determined based on the H2O2 dose (10 mL/L, 15 mL/L, 20 mL/L) and FeSO4 dose (100 mg/L, 150 mg/L, 200 mg/L); Furthermore, a 16 W UV lamp was constantly used online, working at an initial pH of the wastewater of 2,88. The optimal levels to reach the maximum efficiency of COD removal in the photo-Fenton process were 15 mL/L of H2O2 (50% concentration) and 150 mg/L of FeSO4 (99% purity) for a time 2 hour treatment; then the pH was adjusted to a value of 7,97 with sodium hydroxide (50% concentration). In the adsorption process, a 500 g coconut shell activated carbon filter was used to ensure the quality of the treated wastewater, complying with the ECA for Water - Category 3: Irrigation of vegetables and animal drinks according to the parameters studied. After the joint treatment system of photo-Fenton and adsorption, an efficiency of removal of COD of 99,88%, BOD5 of 99,61%, oils and fats of 99,94%, detergents of 99,99 and color of 90,00%. Key words: Photo-Fenton, adsorption, sewage treatment, water quality. 14 INTRODUCCIÓN “Las aguas residuales no tratadas afectan al medio ambiente y a la salud humana causando contaminación por los diversos contaminantes que presenta en su composición” (Tejada et al., 2014). La población de América Latina se encuentra concentrada en ciudades en más de un 80% y la provisión de agua es insuficiente, más aún que el 70% de las aguas residuales no tienen tratamiento adecuado. En el Perú, solamente se ha ejecutado el 30% de la inversión pública en tratamiento de agua, de acuerdo al Plan Nacional de Saneamiento Urbano y Rural 2006-2015. Las sustancias que contaminan el agua son orgánicas e inorgánicas y en todos los casos, la contaminación del agua pone a la salud pública en peligro. (Meoño et al., 2016) Las aguas residuales generadas en los laboratorios de las universidades generalmente presentan un alto grado de contaminación, debido a las sustancias químicas utilizadas en cada práctica experimental, como son las sustancias ácidas (ácido nítrico, ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido acético, ácido cianhídrico, acido hipocloroso, ácido carbónico), sustancias básicas (hidróxido de sodio, amoniaco, carbonatos, sales), aceites, grasas y detergentes utilizado para el lavado de los materiales de laboratorio, con efectos potencialmente peligrosos para la salud y el medio ambiente. (Benavides y Benavides, 2011) En el Perú las universidades no cuentan con sistemas de tratamientos de las aguas residuales generadas en los laboratorios específicamente, por lo que dichos desechos en algunas universidades son descargados al sistema de alcantarillado sin previo tratamiento, sobrepasando incluso los Valores Máximos Admisibles (VMA) del Decreto Supremo N° 010-2019-VIVIENDA, lo cual deterioran instalaciones e 15 infraestructuras sanitarias que en el tiempo puede causar atoros o aniegos en la misma ciudad. (Rossi, 2018) Existen diferentes alternativas de tratamiento de aguas residuales que depende de las condiciones iniciales del agua residual y entre las más utilizadas están los procesos biológicos, seguido de los tratamientos fisicoquímicos; pero, para algunas aguas residuales, de acuerdo a sus características, los tratamientos convencionales no son los más adecuados porque las aguas residuales no son biodegradables. Por lo tanto, se deben aplicar otras alternativas como los procesos de oxidación avanzada y/o procesos de adsorción. (Robles et al., 2011) El objetivo del presente proyecto de investigación es de mejorar la calidad de las aguas residuales proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao (FIQ-UNAC) mediante los procesos de foto-Fenton y adsorción, con la finalidad de reducir los contaminantes presentes en el agua residual y, de acuerdo a las características después del tratamiento, poder descargarlas de manera segura y/o poder utilizarlas para el riego de áreas verdes cumpliendo con los estándares que exige las normativas nacionales vigentes. El proceso de foto-Fenton es una tecnología que va permitir oxidar los contaminantes del agua residual a través de la formación in situ de los radicales hidroxilos, que es el agente oxidante generado, que va permitir degradar los contaminantes presentes en el agua residual y, mediante el proceso de adsorción como post-tratamiento, permitirá remover las trazas o remanentes de contaminantes que pueden estar presente en el agua residual quedando atrapados en la superficie específica del carbón activado utilizado como agente adsorbente. 16 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Descripción de la Realidad Problemática Los laboratorios, a pesar de ser de vital importancia para la formación académica de los estudiantes, es también el principal generador de aguas residuales, conteniendo sustancias y reactivos químicos utilizados en el desarrollo de las prácticas experimentales. (Ramos et al., 2005) En el Perú, las universidades no cuentan con sistemas de tratamientos de aguas residuales específicamente, por lo que dichos desechos en algunas universidades son descargados al sistema de alcantarillado, sin previo tratamiento, sobrepasando incluso los Valores Máximos Admisibles del Decreto Supremo Nº 010-2019-VIVIENDA, causando el deterioro de las instalaciones e infraestructuras sanitarias. En otras ocasiones también son dispuestos a un relleno de seguridad, generando grandes costos en la disposición de esos residuos líquidos peligrosos. (Rossi, 2018) El laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao (FIQ-UNAC) puede considerarse una gran generadora de aguas residuales que presentan niveles elevados de contaminantes. El tratamiento de la alta concentración de la carga orgánica no biodegradable presente en el agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica es difícil por tratamientos básicos o convencionales; por ello ha sido necesario el desarrollo de procesos no convencionales que consigan eliminar o reducir los contaminantes eficientemente, como los procesos de oxidación avanzada (POA) por foto-Fenton y el proceso de adsorción por medio de un filtro de carbón activado granular que pueden ser alternativas de tratamiento para estas aguas residuales. 17 1.2. Formulación del Problema 1.2.1. Problema General ¿En qué medida el sistema de foto-Fenton y adsorción mejorará la calidad de las aguas residuales proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao? 1.2.2. Problemas Específicos  ¿Cuál es la característica del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao?  ¿Cuánto es la dosis óptima de peróxido de hidrógeno (H2O2) y sulfato ferroso (FeSO4) en el proceso de foto-Fenton para reducir la demanda química de oxígeno (DQO) del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao?  ¿Cuánto es la eficiencia de remoción de la demanda química de oxígeno (DQO) del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao después del proceso de adsorción?  ¿Cuál es la calidad del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao tratada mediante un sistema de tratamiento de foto-Fenton y adsorción? 18 1.3. Objetivos 1.3.1. Objetivo General Determinar la eficiencia del sistema de foto-Fenton y adsorción para mejorar la calidad de las aguas residuales proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao. 1.3.2. Objetivos Específicos  Determinar las características del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao.  Determinar la dosis óptima de peróxido de hidrógeno (H2O2) y sulfato ferroso (FeSO4) en el proceso de foto-Fenton para reducir la demanda química de oxígeno (DQO) del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao.  Determinar la eficiencia de remoción de la demanda química de oxígeno (DQO) del agua residual del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao después del proceso de adsorción.  Determinar la calidad del agua residual del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao después del sistema de tratamiento de foto-Fenton y adsorción. 19 1.4. Justificación 1.4.1. Justificación Teórica La presente tesis se justifica por aplicar tecnologías alternativas que puedan tratar de manera eficiente las aguas residuales generadas en el laboratorio de química orgánica de la FIQ-UNAC, como son los procesos de foto-Fenton y adsorción. 1.4.2. Justificación Ambiental Las aguas residuales generadas en el laboratorio de química orgánica de la FIQ- UNAC tienen un alto grado de contaminación que puede llegar a un índice de biodegradabilidad < 0,2 siendo no biodegradable; por lo tanto, la aplicación de tecnologías convencionales, como los tratamientos biológicos, no son efectivos; es por ello que se debe de aplicar tratamientos de oxidación avanzada para eliminar o reducir los contaminantes eficazmente, ya que pueden generar un impacto negativo en la salud de las personas y el medio ambiente. (Ortiz y Aguila, 1997) 1.4.3. Justificación Legal La concentración de parámetros físicos, químicos y microbiológicos de las aguas residuales generadas en el laboratorio de química orgánica de la FIQ-UNAC, después del tratamiento por foto-Fenton y adsorción, permitirá cumplir con el Decreto Supremo N° 004-2017-MINAM. -Estándares de Calidad Ambiental (ECA) para Agua en la Categoría 3: Riego de vegetales y bebida de animales. La demanda química de oxígeno (DQO) es el parámetro de estudio y según la normativa debe ser menor que 40 mg/L. 1.4.4. Justificación Social En las universidades e institutos superiores hay un incremento anual y/o semestral de la cantidad de estudiantes y en los últimos años se incrementó la tasa de 20 asistencia a la educación superior, demandando así de más laboratorios para realizar prácticas experimentales, siendo necesario la implementación de un sistema de tratamiento para las aguas residuales que se generan en los laboratorios universitarios. (Roldán, 2018). 1.4.5. Justificación Económica Después del tratamiento de las aguas residuales generadas en el laboratorio de química orgánica de la FIQ-UNAC y con el cumplimiento de la Categoría 3: Riego de vegetales y bebida de animales del ECA para Agua, se pueden utilizar las aguas tratadas para el riego de las áreas verdes de la misma ciudad universitaria donde se puede disminuir el uso de agua potable para el mantenimiento de las áreas verdes como se realiza generalmente, también estas aguas ya no serían dispuestas en un relleno de seguridad generando ahorro en la disposición de residuos líquidos peligrosos. 1.5. Limitantes de la Investigación La principal limitante fue la económica, en las pruebas experimentales sólo se realizó la medición de la demanda química de oxígeno (DQO) como parámetro de control ya que es el parámetro más representativo del grado de contaminación del agua residual, siendo la eficiencia de remoción de la DQO la variable respuesta en el proceso de foto-Fenton y de acuerdo al tratamiento más eficiente siguió el proceso adsorción mediante un filtro de carbón activado. Para evaluar la composición del agua residual se realizó una caracterización antes y después del sistema del tratamiento lo cual se envió al laboratorio acreditado SGS del Perú S.A.C.; otra limitación que presentamos fue que no contamos con un área en la misma Universidad Nacional del Callao para realizar las pruebas experimentales, debido a la situación actual de pandemia por COVID-19 y los laboratorios estaban cerrados por bioseguridad. 21 II. MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes 2.1.1. Internacional Florencia (2015), en su trabajo de investigación “Diseño de una instalación para tratar un agua residual textil combinando tratamiento fisicoquímico y oxidación avanzada (Qdiseño = 100 m3/d)”, tuvo como objetivo diseñar una instalación para tratar el agua residual proveniente de una industria textil aplicando un tratamiento fisicoquímico y un tratamiento de oxidación avanzada. En el tratamiento fisicoquímico se han ensayado diferentes coagulantes y floculantes en diferentes concentraciones y a diferentes pH, luego el sobrenadante obtenido en el tratamiento fisicoquímico fue llevado a un proceso de oxidación avanzada mediante el método Fenton, las concentraciones óptimas de peróxido de hidrogeno (H2O2) y Sulfato ferroso (FeSO4) fueron de 50 ppm para ambos reactivos, obteniendo los rendimientos de 36,19% para la DQO, 90,19% para la turbidez y 96,18% para el color. García (2017), en su trabajo de investigación “Estimación experimental en condiciones de laboratorio de las concentraciones óptimas de Fenton”, tuvo como objetivo principal la eliminación de compuestos solubles no biodegradables de las aguas residuales procedente de camales, parque industrial y relleno sanitario por el método Fenton, para reducir los niveles DBO5/DQO. Mediante la mezcla del sulfato ferroso, peróxido de hidrógeno en proporciones en masa de 1 y 5, en una prueba de jarras, se trabajó a 100 RPM durante 30 minutos, posteriormente se deja bajo el proceso de sedimentación por 20 minutos. El resultado obtenido da un valor de biodegradabilidad (DBO5/DQO) de 0,22 a 0,59; siendo el proceso Fenton eficiente para tratar aguas residuales que puede ser utilizado como un pretratamiento antes de un tratamiento biológico. 22 Ramos y Jiménez (2016), en su trabajo de investigación “Degradación de desechos tóxicos provenientes de laboratorios universitarios con foto-Fenton solar usando diseño de experimentos”, tuvo como objetivo la reducción de fenoles y demanda química de oxígeno de los desechos líquidos de diferentes laboratorios del Departamento de Química de la Facultad Experimental de Ciencias y Tecnología, mediante el proceso foto-Fenton solar. Se empleó un diseño central compuesto, para estudiar el efecto del peróxido de hidrógeno (H2O2) y del fierro (Fe), siendo la variable de respuesta el porcentaje de remoción de DQO, resultando el H2O2 la variable significativa sobre la remoción de DQO. La condición óptima fue de 9 g/L de Fe (II) y de 220,70 g/L de H2O2 para remover 97,00% de la DQO; también se llegó a la conclusión que la excesiva dosis de Fe (II) y H2O2 disminuye la eficiencia de remoción de DQO. Gil (2011), en su trabajo de investigación “Procesos avanzados de oxidación para el tratamiento de residuos líquidos peligrosos procedentes de los laboratorios de Ingeniería de Procesos”, tuvo como objetivo evaluar la eficiencia del proceso de foto- oxidación, a través de la degradación del carbono orgánico total (COT) y de la demanda química de oxígeno (DQO) de las aguas residuales procedentes de los laboratorios de Ingeniería de Procesos de la Universidad EAFIT. El proceso foto-Fenton de acuerdo con los resultados obtenidos es un método efectivo para la degradación de la materia orgánica contenida en este tipo de residuos, las condiciones óptimas para remover el 78,00% de la DQO y el 67,61% de mineralización de los COT fue a una concentración de Fe+2 de 0,30 mmol/L y a una concentración de H2O2 de 1,00 mL/L, logrando en alta medida la recuperación de esta agua residual, haciéndolas altamente biodegradables para posteriores procesos biológicos. Méndez et al. (2010), en su trabajo de investigación “Determinación de la dosis óptima de reactivo Fenton en un tratamiento de lixiviados por Fenton-adsorción”, tuvo como objetivo tratar los lixiviados mediante el sistema de oxidación tipo Fenton- 23 adsorción. El proceso Fenton se realizó por la combinación de H2O2 y FeSO4 en condiciones ácidas, para tratar la carga contaminante en función de la DQO del lixiviado se determinó de las mejores relaciones de [DQO]/[H2O2] y [Fe2+]/[H2O2]. Después de optimizar el proceso, se filtraron las muestras y se ensayó la adsorción mediante columnas con carbón activado granular. Las mejores relaciones para [DQO]/[H2O2] y [Fe2+]/[H2O2] fueron 9 y 0,6 respectivamente. La eficiencia máxima de remoción después del proceso de adsorción fue cerca del 100,00% para el color y de 98,90% para la DQO. El índice de biodegradabilidad fue de 0,24 al final, después de las pruebas de Fenton- adsorción. Berrio et al. (2012), en su trabajo de investigación “Sistemas de tratamiento para residuos líquidos generados en laboratorios de análisis químico”, nos indica que los residuos líquidos de laboratorios de análisis químicos requieren de tratamientos no convencionales de remoción de contaminantes. Una alternativa es mediante el proceso de adsorción con carbón activado para la eliminación de una amplia variedad de contaminantes orgánicos e inorgánicos disueltos en medio acuoso o gaseoso; otra alternativa de tratamiento son los procesos de oxidación avanzada (POA), una tecnología potente capaz de degradar una amplia variedad de compuestos refractarios y recalcitrantes que puede llegar a eficiencias de remoción de DQO entre 45% a 85%. Sánchez y García (2018), en su trabajo de investigación “Tratamiento de aguas residuales de cargas industriales con oxidación avanzada en sistemas convencionales”, indica que los tratamientos convencionales no soportan índices de biodegradabilidad menores a 0,40 ya que las aguas residuales contienen contaminantes refractarios y que está asociado con la mayoría de los casos de aguas residuales industriales y que por medio de los procesos de oxidación avanzada se incrementa el índice de biodegradabilidad; en su estudio determinó las concentraciones óptimas de reactivos de FeSO4/H2O2 = 1; con la colocación de 10 mg/L de H2O2, llegando a una reducción de la 24 DBO5 y DQO en eficiencias de 12,54% y 44,40% respectivamente, aumentado el índice de biodegradabilidad a un valor desde 0,22 a 0,46 que es un valor favorable para tratarse en sistemas convencionales adicionales. Rincón et al. (2015), en su trabajo de investigación “Producción de carbón activado mediante métodos físicos a partir de carbón de El Cerrejón y su aplicación en el tratamiento de aguas residuales provenientes de tintorerías”, tuvo como objetivo realizar la activación física en base a distintas condiciones de activación para producir carbones activados con distintas propiedades de interés. Se realizó la caracterización empleando los índices de yodo y de azul de metileno (NTC 4467, ASTM D 4607). Por activación física se encontró que el carbón activado obtenido presentaba una capacidad hasta un 70,00% de adsorción de colorantes, por lo tanto, podía aplicarse como filtro para reducir los colorantes de las aguas residuales industriales. Bravo y Garzón (2017), en su trabajo de investigación “Eficiencia del carbón activado procedente del residuo agroindustrial de coco (Cocos nucifera) para remoción de contaminantes en agua”, tuvo como objetivo elaborar carbón activado. A una temperatura de 700 °C mediante activación física por una hora se obtuvo 823,5 g como resultado en la elaboración de carbón activado, de los cuales se utilizó 525 g en las unidades experimentales. Se aplicó un diseño completamente aleatorizado con tres tratamientos y tres repeticiones de 100 g, 50 g y 25 g de carbón activado filtrando 1 litro de agua sintética compuesta con 0,0025 g de cloro y 1 g de suelo limoso; como unidades experimentales se construyeron nueve filtros. Se realizó el análisis fisicoquímico al agua: color, sólidos suspendidos turbidez, pH y cloro libre residual. Con 100 g de carbón activado se obtuvo una remoción del 75,68% de turbidez. Aragón et al. (2013), en su trabajo de investigación “Uso de Carbón Activado Granular (CAG) en un biofiltro para el tratamiento de efluentes”, tuvo como objetivo en 25 la etapa inicial caracterizar un carbón activado granular (CAG) de cascara de coco, estudiando la cinética de adsorción; estudiar la capacidad de remoción de los contaminantes de un efluente acuícola; se hicieron ensayos continuos en una columna empacada. En estos ensayos se pudo eliminar alrededor de un 60,00% de la DQO, UV, N-NH4+ y Ptotal del efluente, mientras que se observó una capacidad de eliminación de coliformes totales de 0,68. Franco et al. (2013), en su trabajo de investigación “Remoción de contaminantes en aguas residuales industriales empleando carbón activado de pino pátula”, tuvo como objetivo determinar el grado de remoción de cada contaminante sobre un efluente residual industrial proveniente de un laboratorio químico, encontrando remociones de COT del 54,95%, DBO5 del 27,91% y DQO del 66,82%. 2.1.2. Nacional Anaya (2019), en su trabajo de investigación “Tratamiento de aguas residuales con colorantes reactivos mediante proceso de oxidación avanzada Fenton y variantes”, tuvo como objetivo establecer las condiciones óptimas para la degradación del colorante Sunfix Yellow S4GL presente en aguas residuales mediante los procesos de oxidación avanzada Fenton y H2O2/UV. Aplicando el método H2O2/UV la concentración óptima de H2O2 fue de 1292 mg/L a un pH de 3 y utilizando 3 lámparas UV; se llegó a una decoloración del 100% en 40 min de exposición a la luz UV. En el caso del proceso de foto-Fenton, los valores óptimos fueron, [H2O2] = 300 mg/L, [Fe+2] = 3,52 mg/L, pH = 2,51 y utilizando 2 lámparas UV, llegando a una decoloración del 100% en 30 min de exposición a la luz UV, siendo el proceso de foto-Fenton más eficiente que el H2O2/UV, ya que se empleó menor cantidad de H2O2, menor potencia de radiación y llegando en menor tiempo a una decoloración del 100%. 26 Rosales (2017), en su trabajo de investigación “Reducción del contenido de colorantes en efluentes de la industria textil usando el proceso Fenton, Zarate, 2017”, tuvo como objetivo evaluar la aplicación del proceso Fenton para reducir la concentración de los contaminantes presentes en el agua residual de una industria textil. Las dosis óptimas fueron de 0,20 g/L Fe+2 y de 12,17 mL/L de H2O2 al 30% de concentración, a un pH acido de 2,60 con un tiempo de mezcla de 60 min, a una velocidad de mezcla de 300 rpm y con tiempo de reposo de 24 h. Se realizó la caracterización del agua residual presentando una concentración inicial de 118,30 de turbidez y 1390 mg/L de DQO. Aplicando el proceso de Fenton los resultados indicaron una remoción del 66,10% de la DQO. Espinal (2017), en su trabajo de investigación “Eficiencia del carbón activado a base de cáscara de coco en el tratamiento de aguas residuales domesticas en el AA. HH. 10 de octubre, distrito de San Juan de Lurigancho, Lima, año 2017”, tuvo como objetivo evaluar la eficiencia del carbón activado a base de cáscara de coco en el tratamiento de aguas residuales domésticas para el cual se utilizó 25 L de muestra de agua residual doméstica. Por medio de 2 filtros manualmente elaborados, uno con tamaño de partícula en polvo (mm) y el otro con tamaño de partícula granular (cm). Se llegó a una remoción de 99,96% de aceites y grasas, 98,48% de coliformes termotolerantes y de 56,20% de DBO5, resultando el carbón activado a base de cáscara de coco eficiente en el tratamiento de aguas residuales domésticas. Ruiz y Orbegoso (2019), en su trabajo de investigación “Eficiencia del carbón activado obtenido a partir del endocarpo de coco (Cocos nucifera) y semilla de aguaje (Mauritia flexuosa), en la remoción de la DBO5 de las aguas residuales domésticas en el distrito de Habana – Moyobamba, 2018”, tuvo como objetivo la remoción de la DBO5 de las aguas residuales domésticas. Se elaboró los carbones activados, a base de semilla de aguaje y de endocarpo de coco, a diferentes temperaturas de carbonización 27 a 500 ºC, 600 ºC y 700 ºC. Al filtrar el agua residual se obtuvo eficiencias de remoción para cada producto, con semilla de aguaje fue de 100,00%, 90,77% y 95,38% de la DBO5 respectivamente y con endocarpo de coco fue de 97,69% 100,00% y 97,69% de la DBO5 respectivamente; obteniendo la mayor eficiencia con una temperatura de carbonización de 500 ºC para un carbón activado a partir de semilla de aguaje, del mismo modo con una temperatura de carbonización de 600 ºC para un carbón activado a partir de endocarpo de coco. 2.2. Bases Teóricas 2.2.1. Aguas Residuales Según Espigares y Pérez (1985), las aguas residuales son cualquier tipo de agua cuya calidad está afectada negativamente por la influencia antropogénica. Las aguas residuales se pueden definir como aquellas que, por uso del hombre, representan un peligro si no son tratadas, ya que presentan gran cantidad de sustancias y/o microorganismos patógenos. 2.2.2. Tratamiento de Aguas Residuales Según Soledad (2009), el tratamiento de aguas residuales abarca 4 etapas principales: Tratamiento preliminar, que tiene como objetivo remover los sólidos de mayor tamaño, la arena y la grasa, generalmente por procesos físicos; tratamiento primario, que tiene como objetivo remover los sólidos suspendidos a través de procesos físicos y químicos; tratamiento secundario, que tiene como objetivo remover la materia orgánica presente en el agua residual y el tratamiento terciario que se centra en la eliminación de agentes patógenos y sólidos disueltos. 28 Según el OEFA (2014), las aguas residuales se clasifican en 3 tipos, de acuerdo a su origen: a) Aguas residuales domésticas: Son de origen residencial y comercial que contienen residuos fisiológicos, entre otros, resultado de la actividad humana en la propia vivienda, que necesariamente tienen que ser dispuestos de manera correcta. b) Aguas residuales municipales: Se les dice a las aguas residuales domésticas que pueden estar mezcladas con aguas de drenaje pluvial o también con aguas residuales de origen industrial previamente tratadas, para ser admitidas en los sistemas de alcantarillado. c) Aguas residuales industriales: Son las que se generan a partir de un proceso productivo o cualquier actividad industrial. Entre los principales tipos de aguas residuales industriales se tiene de la industria textil, minera, pasta y papel, alimentaria y bebidas, conservera, industria química y de laboratorios. Las aguas residuales de los laboratorios universitarios son consideradas de tipo industrial, dentro de ello está el laboratorio universitario de química orgánica de la FIQ- UNAC, que tienen un alto contenido de materia orgánica. Según Domos (2019), las aguas residuales de laboratorios universitarios, según su naturaleza son no biodegradables y están compuestos por sustancias químicas toxicas como surfactantes, desinfectantes, líquidos iónicos, colorantes sintéticos entre otros. Según Ortiz y Aguila (1997), el índice de biodegradabilidad del agua residual se puede determinar de acuerdo a la Tabla 1. 29 Tabla 1 Índice de biodegradabilidad. Rango DBO5/DQO Tipo de agua residual > 0,40 Biodegradable 0,20 – 0,40 Medianamente biodegradable < 0,20 No biodegradable Nota: Adaptado de “La depuración biológica de efluentes industriales de Ingeniería Química” Ortiz y Aguila (1997). 2.2.3. Proceso de Oxidación Avanzada Según Rodríguez et al. (2006), los procesos de oxidación avanzada (POA) son aquellos procesos que implican la generación de radicales hidroxilos en cantidad suficiente para reaccionar con los compuestos orgánicos del agua. Se trata de una familia de métodos que utilizan la elevada capacidad oxidante de los radicales HO•, los más comunes utilizan combinaciones de peróxido de hidrógeno (H2O2), radiación ultravioleta y fotocatálisis. Una relación completa de los POA se muestra en la Tabla 2 de los tipos de procesos oxidación avanzada que se han estudiado. La consecuencia de la elevada reactividad del agente oxidante es que los procesos avanzados de oxidación se caracterizan también por su baja selectividad; es por ello que atacan a la mayor cantidad de compuestos orgánicos, rompiendo enlaces y llegando hasta su mineralización. 30 Tabla 2 Tipos de procesos de oxidación avanzada. Procesos homogéneos: a) Sin aporte externo de energía: - Ozonización en medio alcalino (O3/OH-) - Ozonización con peróxido de hidrógeno (O3/H2O2) y (O3/H2O2/OH-) - Peróxido de hidrógeno y catalizador (H2O2/Fe2+) b) Con aporte externo de energía: b1) Energía procedente de radiación ultravioleta (UV). - Ozonización y radiación ultravioleta (O3/UV) - Peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta (H2O2/UV) - Ozono, peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta (O3/H2O2/UV) - Foto-Fenton (Fe2+/H2O2/UV) b2) Energía procedente de ultrasonidos (US). - Ozonización y ultrasonidos (O3/US) - Peróxido de hidrógeno y ultrasonidos (H2O2/US) b3) Electroquímica. - Oxidación electroquímica - Oxidación anódica - Electro-Fenton Procesos heterogéneos: a) Ozonización catalítica (O3/Cat.) b) Ozonización foto-catalítica (O3/TiO2/UV) c) Fotocatálisis heterogénea (H2O2/TiO2/UV) Nota: Adaptado por el informe de vigilancia tecnológica titulado “Tratamientos avanzados de aguas residuales industriales” de Rodríguez et al. (2006). 31 Según Osorio et al. (2010), los POA dan lugar a la mineralización completa de contaminantes a CO2, agua, compuestos inorgánicos o hasta convertirlos en productos inocuos. Pueden generar descomposición parcial de los contaminantes orgánicos no biodegradables, mediante la acción de los radicales hidroxilos (HO•), que son agentes oxidantes que se encarga de atacar sus moléculas, romper enlaces y que pueden conducir a la completa mineralización de los contaminantes. Los POA se realizan mediante el uso del ozono, peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta (O3/H2O2/UV), los POA se pueden clasificar en homogéneos y heterogéneos. El proceso homogéneo se da mediante una sola fase (catalizador disuelto) y en esta clasificación se encuentran los procesos de Fenton, foto-Fenton que hace referencia a la reacción del peróxido de hidrógeno con sales ferrosas para la generación de radicales hidroxilos; los procesos heterogéneos son realizados mediante un semiconductor utilizado como catalizador para la generación de radicales hidroxilos. Según Silva et al. (2018), los POA se encuentran en el tratamiento terciario como aplicación principal, siendo el objetivo de estos procesos eliminar compuestos difícilmente biodegradables, compuestos recalcitrantes e incluso disminuir la contaminación microbiológica. Las tecnologías de POA tienen la capacidad de oxidar una gran variedad de contaminantes, pudiendo llegar a la mineralización si el proceso se prolonga lo suficiente o quedándose en estados de oxidación intermedios que permitan un acoplamiento con otros métodos de depuración, como pueden ser los procesos biológicos. Según Rodríguez et al. (2006), los procesos que utilizan reactivos costosos, tales como el peróxido de hidrógeno; por ello la importancia de determinar la dosis optima de reactivos que permitirá optimizar los procesos oxidativos de tratamiento, su utilización debe restringirse a situaciones en las que otros procesos más baratos, como los biológicos no son eficientes en la remoción de contaminantes recalcitrantes donde el 32 índice de biodegradabilidad de las aguas residuales es baja. Su máximo potencial se explota cuando se trata parcialmente con los POA y se consigue integrar con otros tratamientos, como los tratamientos biológicos o procesos de adsorción, a fin de conseguir la máxima economía de oxidante utilizado. Una característica común a todos los procesos avanzados de oxidación es su capacidad para tratar efluentes con concentraciones menores que 5 g/L de demanda química de oxígeno. Para mayores concentraciones, el elevado consumo de agente oxidante y la mejora en el balance energético del proceso hacen preferibles las técnicas de oxidación directa tales como la oxidación húmeda teniendo en cuenta los contaminantes presentes en el agua residual. Según Kiwi et al. (1993), el proceso fenton consiste en el uso de fierro (Fe) y peróxido de hidrógeno (H2O2), donde el ion ferroso es el catalizador que inicia la descomposición del oxidante peróxido de hidrogeno, teniendo como resultando la generación del radical hidroxilo en medio ácido de pH 2,5 – 3,0. Se muestra en la ecuación (1). Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO– + HO• (1) Donde dicha reacción según Bautista et al. (2008) tiene una velocidad de reacción (k) de 76 L mol−1 s−1 . Mientras que el catalizador se regenera a través de la ecuación (2) presentando una velocidad de reacción (k) de 0.01 L mol−1 s−1, o de la reacción de ion férrico (Fe3+) con radicales orgánicos intermedios (R) como se muestran en las ecuaciones (3) - (5). Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HO2• + H+ (2) RH + HO• → R• +H2O (3) R• +Fe3+ → R+ + Fe2+ (4) R+ + HO− → R-OH (5) 33 Por otro lado, Muruganandham et al. (2014) establece que la combinación del proceso Fenton con la luz UV, llamándose proceso foto-Fenton, mejora la eficiencia del proceso de Fenton donde acelera la regeneración de ion ferroso (Fe2+), además de la formación del radical hidroxilo como se muestra en la ecuación (6). Fe3+ + H2O ℎ𝑣 → Fe2+ + H+ + HO• (6) Esto también se atribuye a la descomposición del Fe(OH)2+ fotoactivo que conduce a la adición de los radicales OH•, que se muestra en la ecuación (7): Fe(OH)2+ ℎ𝑣 → Fe2+ + HO• (7) Se observa un aumento considerable en el poder de oxidación debido principalmente a la foto-reducción de Fe3+ a Fe2+. Muruganandham et al. (2014), menciona que el proceso foto-Fenton (H2O2/Fe2+/UV) es uno de los POA más efectivos de oxidación de contaminantes orgánicos. La ventaja del proceso foto-Fenton es que no es necesaria la entrada de energía para activar el peróxido de hidrógeno generando la formación de radicales en el medio, especie oxidante que tiene un potencial de oxidación de 2,8 eV, proceso que puede ser operado y mantenido fácilmente. 2.2.4. Proceso de Adsorción Según Martínez (1999), el proceso de adsorción es aquel proceso donde se acumula un soluto en una superficie o en la interface de un sólido; generalmente se explica en términos de tensión superficial o energía por unidad de área. Dentro de la fase sólida, las moléculas están sujetas a fuerzas balanceadas hacia todas las direcciones; mientras que en la superficie sus fuerzas no están balanceadas, lo que provoca que otras moléculas puedan ser atrapadas en la superficie de la fase sólida. Al 34 sólido, por ejemplo, el carbón activado, se le llama adsorbente; de ahí que al soluto que se va a adsorber se le denomine adsorbato. Según Rodríguez et al. (2006), un parámetro fundamental en la adsorción es la superficie específica del sólido, dado que el compuesto soluble a eliminar se ha de concentrar en la superficie del mismo. La necesidad de una mayor calidad de las aguas está haciendo que este tratamiento sea una de los más utilizadas. Es considerado como un tratamiento de refino y, por lo tanto, al final, uno de los sistemas de tratamiento más usuales, especialmente con posterioridad a un tratamiento biológico. El carbón activado es el principal material utilizado para los procesos de adsorción y se tiene de dos tipos, de acuerdo con el tamaño de partícula: Carbón activado en polvo, utilizado en tratamientos fisicoquímicos; y carbón activado granular, utilizado como columna contacto (filtro) para eliminar elementos traza, especialmente orgánicos, que pueden estar presentes en el agua que, a pesar de su pequeña concentración, en muchas ocasiones proporcionan mal olor, color o sabor al agua. 2.3. Conceptual 2.3.1. Calidad del Agua Según el Decreto Supremo N° 004-2017-MINAM (2017), la calidad del agua es la medida del nivel de concentración de elementos, sustancias o parámetros físicos, químicos y biológicos, presentes en el agua en su condición de cuerpo receptor, que no presenta riesgo significativo para la salud de las personas ni al ambiente. 2.3.2. Proceso foto-Fenton Según Rodríguez et al. (2006), el proceso foto-Fenton es un tratamiento homogéneo foto-catalítico basado en la producción de radicales hidroxilos mediante el 35 reactivo de Fenton (H2O2 + Fe2+). La velocidad de degradación de contaminantes orgánicos con sistemas Fenton resulta notablemente acelerada por la irradiación con luz Ultravioleta-Visible (longitudes de onda mayores de 300 nm). En estas condiciones, la fotólisis de complejos Fe(III), permite la regeneración de la forma reducida del catalizador favoreciendo el ciclo catalítico. 2.3.3. Proceso de Adsorción con Carbón Activado Según Sette (2009), la adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas de gases, líquidos o sólidos disueltos son retenidos en una superficie debido al desequilibrio de las fuerzas de la superficie. El carbón activado de cascara de coco es un adsorbente con una amplia distribución de poros, con mayor dureza, resistencia y posee un área superficial específica alta donde quedan atrapados los contaminantes. 2.4. Definición de Términos Básicos Sulfato Ferroso Según Roque (2019), el FeSO4 un compuesto químico que se encuentra casi siempre en forma de sal heptahidratada (FeSO4•7H2O), se usa como un catalizador en el proceso foto-Fenton que es la especie que se oxida en la reacción. Peróxido de Hidrógeno Según De Mattos et al. (2003), el H2O2 es es el reactivo que se reduce en la reacción del proceso foto-Fenton para la formación de radicales hidroxilos. Radiación Ultravioleta Tipo C Según Morales (2006), la radiación UV es el tipo de radiación que se sitúa en un intervalo de longitudes de onda de 200 a 280 nanómetros, en el proceso de foto-Fenton 36 ayuda a la regeneración de los iones ferrosos para la generación de los radicales hidroxilos en mayor velocidad. Hidróxido de Sodio Según Pozo (2013), el NaOH es una base fuerte que se utiliza para elevar el pH de las aguas residuales formado especies de hidróxidos que por su forma semisólida puede sedimentar. Demanda Química de Oxígeno Según Valente et al. (2018), la DQO es la concentración de oxígeno consumido para oxidar la materia orgánica, sea o no biodegradable, en medio ácido y condiciones energéticas por la acción de un agente químico oxidante fuerte. Demanda Bioquímica de Oxígeno Según Valente et al. (2018), la DBO es la concentración de oxígeno consumida por los microrganismos para degradar la materia orgánica biodegradable. Aceites y Grasas Según Delgadillo et al. (2010), son compuestos orgánicos constituidos principalmente por ácidos grasos de origen animal y vegetal. Oxígeno Disuelto Según Peña (2007), es la cantidad de oxígeno que está disuelta en el agua y que depende de la temperatura y salinidad. 37 Potencial de Hidrógeno Según Severiche et al. (2014), el pH es un parámetro que permite medir la concentración de iones hidronios presentes en el agua. Detergentes Según Hillboe (1991), son sustancias que peptizan las grasas o la materia orgánica gracias a su tenso-actividad. Temperatura Según Severiche et al. (2014), es una magnitud escalar que se define como la cantidad de energía cinética de las partículas de una masa gaseosa, líquida o sólida. Color Según Rigola (1990), es la capacidad de absorber ciertas radiaciones del espectro visible. En aguas naturales son indicativos de la presencia de ciertos contaminantes. Coliformes Termo tolerantes Según Vargas (1983), son definidas como bacilos gram-negativos, no esporulados que fermentan la lactosa con producción de ácido y gas. Escherichia Coli Según Kaper et al. (2004), es una bacteria miembro de la familia de las enterobacterias y forma parte del microbiota del tracto gastrointestinal de animales homeotermos, como por ejemplo el ser humano. 38 III. HIPÓTESIS Y VARIABLES 3.1. Hipótesis 3.1.1. Hipótesis General El sistema de foto-Fenton y adsorción mejora eficientemente la calidad de las aguas residuales proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao. 3.1.2. Hipótesis Específicas  Las aguas residuales proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao contiene un alto contenido de DQO, DBO5, aceites y grasas.  La dosis óptima de peróxido de hidrógeno (H2O2) y sulfato ferroso (FeSO4) en el proceso de foto-Fenton permite reducir eficientemente la demanda química de oxígeno (DQO) del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao.  El proceso de adsorción permite remover más del 60% de la demanda química de oxígeno (DQO) del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao.  El sistema de tratamiento de foto-Fenton y adsorción remueve eficientemente los contaminantes de las aguas residuales proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao. 39 3.2. Definición Conceptual de Variables 3.2.1. Variable Independiente (V. I.): Sistema de foto-Fenton y adsorción. Definición Conceptual: Según Muruganandham et al. (2014), el proceso foto- Fenton es un proceso de oxidación avanzada basado en la generación de radicales hidroxilos (HO•) mediante la reacción del peróxido de hidrogeno (H2O2) y sulfato ferroso (FeSO4) en disolución en medio de radiación llevado a cabo en un medio acido. Según Sette (2009), la adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas de gases, líquidos o sólidos disueltos son retenidos en una superficie debido al desequilibrio de las fuerzas de la superficie 3.2.2. Variable Dependiente (V. D.): Calidad de las aguas residuales. Definición Conceptual: Según el Decreto Supremo N° 004-2017-MINAM (2017), la calidad de las aguas residuales es la medida del nivel de concentración de elementos, sustancias o parámetros físicos, químicos y biológicos, presentes en el agua que al ser excedida causa o puede causar daños a la salud, al bienestar humano y al ambiente. 3.3. Operacionalización de Variables En la Tabla 3, se presenta la matriz de operacionalización de las variables sistema de foto-Fenton y adsorción (variable independiente) y la calidad de las aguas residuales (variable dependiente). 40 Tabla 3 Matriz de operacionalización de variables. Variables Dimensiones Indicadores Escala de medición V. I. Sistema de foto- Fenton y adsorción Dosis de peróxido de hidrógeno (10, 15, 20) Dosis óptima de H2O2 mL/L Dosis de sulfato ferroso (100, 150, 200) Dosis óptima de FeSO4 mg/L V. D. Calidad de las aguas residuales Demanda química de oxígeno (DQO) Concentración de DQO mg/L 41 IV. DISEÑO METODOLÓGICO 4.1. Tipo y Diseño de Investigación 4.1.1. Tipo de Investigación Según Ñaupas et al. (2018), la investigación es de tipo básica, ya que busca encontrar nuevos conocimientos en el campo de estudio y por qué sirve de soporte a la investigación aplicada o tecnológica. Según Arias (2012), el nivel de investigación es explicativo ya que se encarga de buscar el porqué de los hechos mediante la determinación de las causas (investigación post facto), mediante la prueba de hipótesis y relaciones causa-efecto. 4.1.2. Diseño de Investigación Según Hernández-Sampieri (2014), el diseño de investigación es experimental, porque se va a manipular la variable independiente para determinar los cambios que se producen en la variable dependiente, midiendo el efecto. 4.2. Método de Investigación Según Chagoya (2008), el método de investigación es empírico, también denominado método cuantitativo o deductivo, ya que estudian fenómenos, objetos y procesos observables, confirmados mediante las hipótesis y las teorías, a través de la observación, la experimentación y/o la medición. En la presente investigación se realizaron los siguientes procedimientos como parte del método de investigación: 42 i. Construcción del sistema de tratamiento foto-Fenton y adsorción. Se construyó un prototipo bach con recirculación de 5 L de capacidad como se muestra en la Figura 1, en las instalaciones del laboratorio de la empresa FLOWEN S.A.C. para realizar pruebas experimentales mediante los procesos de tratamiento de foto-Fenton y adsorción. En el proceso de foto-Fenton, previo a una homogenización del agua residual, se utilizó diferentes dosis de peróxido de hidrógeno (H2O2) y de sulfato ferroso (FeSO4) a un pH del agua residual de 2,88; ya que, según Kiwi et al. (1993), a un pH ácido entre 2,5 y 3,0 se genera en mayor proporción los radicales hidroxilos. Adicionalmente se instaló en línea una lámpara UV de 16 W para la regeneración del catalizador (Fe2+) como indica Anaya (2019), quien recomienda que se use al menos una lámpara UV comerciales de 15 W de potencia para la aplicación en el proceso de foto-Fenton y obtener mejores eficiencias en el proceso de tratamiento. Después de un tiempo de 2 h de tratamiento, como lo indica Ramos y Jiménez (2016); luego del tratamiento se ajustó el pH a un valor promedio de 7,97 con hidróxido de sodio (50% de concentración) a una dosis de 5 mL/L. En el proceso de adsorción se utilizó un filtro de carbón activado granular de cáscara de coco, como menciona Sette (2009), quien manifiesta que el carbón de cáscara de coco es un adsorbente con una amplia distribución de poros, por su dureza y resistencia, comparado con el obtenido de madera; así mismo Bravo y Garzón (2017), indican en su investigación que es un adsorbente muy eficiente para remover contaminantes remanentes que pudieran haber quedado después de un tratamiento previo aplicado. El prototipo se alimentó por un sistema fotovoltaico que proporcionó energía eléctrica a la bomba de agua y a la lámpara UV de 16 W lo cual nos permitió 43 realizar las pruebas experimentales (tratamientos) como se aprecia en la Figura 2, del montaje del sistema de tratamiento. Figura 1 Diagrama del sistema de foto-Fenton y adsorción. Nota: Diagrama esquemático del reactor de foto-Fenton y adsorción. AR: Agua residual; T: Tanque; V1, V2, V3, V4, V5: Válvulas; B: Bomba de agua; Q: Caudalímetro; UV: Lámpara UV; F: Filtro de carbón activado; S: Dosificador de FeSO4; P: Dosificador de H2O2; H: Dosificador de NaOH; ART: Agua residual tratada. 44 Figura 2 Montaje del prototipo autónomo del sistema de foto-Fenton y adsorción. Nota: Sistema bach con recirculación de 5 L de capacidad alimentado por un panel fotovoltaico de 50 W. 45 ii. Obtención del agua residual. El agua residual se obtuvo del laboratorio de química orgánica de la FIQ-UNAC; se tomaron 150 L de muestra aproximadamente en bidones para su caracterización física, química, microbiológica y procesos de tratamiento. Se debe tener en cuenta que el tratamiento de las aguas residuales mediante los procesos de foto-Fenton y adsorción son tratamientos terciarios y requiere de un tratamiento preliminar, como se establece en el diagrama de flujo de la Figura 3, que básicamente consta de una limpieza manual de sólidos grandes o residuos para que no perjudique al prototipo de tratamiento y una homogenización, siguiendo con el tren de tratamiento planteado en el presente estudio mediante el proceso foto-Fenton, ajuste de pH y proceso de adsorción. Figura 3 Diagrama de flujo del tren de tratamiento Nota: El tren de tratamiento consta de un pre-tratamiento, homogenización, proceso de foto-Fenton, ajuste de pH y proceso de adsorción. 46 iii. Determinación de la variable de estudio (variable respuesta). Se realizó el seguimiento a la demanda química de oxígeno (DQO) en cada corrida experimental, dado que la DQO representa a la materia orgánica y mide el nivel de contaminación del agua residual. La variable respuesta será expresado mediante eficiencia de remoción de la DQO y se calculará mediante la siguiente fórmula: 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝐷𝑄𝑂 = (𝐷𝑄𝑂𝑖 − 𝐷𝑄𝑂𝑓)𝑥100 𝐷𝑄𝑂𝑖 Donde: i y f: indican inicio y final, respectivamente. La muestra del tratamiento más eficiente, de acuerdo a la máxima eficiencia de remoción de la DQO en el proceso de foto-Fenton, siguió el tratamiento mediante el proceso de adsorción por medio de un filtro constante de carbón activado de 500 g; el agua residual tratada después de ambos procesos se envió al laboratorio acreditado SGS del Perú S.A.C. para analizar los parámetros físicos (temperatura y color), parámetros químicos (demanda bioquímica de oxígeno, aceites y grasas, oxígeno disuelto, potencial de hidrógeno y detergentes) y parámetros microbiológicos (coliformes termotolerantes, escherichia coli y huevos de helmintos) para conocer las características del agua residual tratada. iv. Diseño estadístico de experimentación. En el proceso de foto-Fenton, se elaboró un diseño factorial 32 (dos factores tres niveles por triplicado) mediante el programa estadístico Minitab 19, obteniendo 9 tipos de tratamientos y 27 corridas experimentales en total, tal como se muestra la Tabla 4. 47 La experimentación permitió la manipulación de la dosis de peróxido de hidrogeno al 50% de concentración en sus tres niveles (10 mL/L, 15 mL/L, 20 mL/L) y dosis de sulfato ferroso al 99% de pureza en sus tres niveles (100 mg/L, 150 mg/L, 200 mg/L) para determinar el efecto en la eficiencia de remoción de la DQO (variable de respuesta) en 2 horas de tratamiento; adicionalmente instalado una lámpara UV de 16 W, con una longitud de onda de 254 nm, para la regeneración del catalizador (Fe2+). En el proceso de adsorción se utilizó un filtro de carbón activado de 500 g como post-tratamiento para asegurar la calidad del agua residual tratada. Bravo y Garzón (2017), recomiendan que se debe diseñar filtros de 100 g de carbón activado para filtrar 1 L de agua residual y que puede llegar a la saturación del filtro (capacidad máxima de adsorción) con 10 L de agua residual; de acuerdo a nuestro estudio se construyó de manera proporcional un filtro de 500 g para tratar volúmenes de 5 L de agua residual. Tabla 4 Diseño factorial de las dosis de sulfato ferroso y peróxido de hidrógeno. Factores Niveles Valores Dosis de FeSO4 3 100 mg/L 150 mg/L 200 mg/L Dosis de H2O2 3 10 mL/L 15 mL/L 20 mL/L Nota: Diseño factorial 32 (dos factores y tres niveles). 4.3. Población y Muestra 4.3.1. Población La población son las aguas residuales generadas en el laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao generados aproximadamente 100 L/día. 48 4.3.2. Muestra La muestra que se tomaron para la caracterización y procesos de tratamientos fue de 150 L de aguas residuales generadas en el laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao, ubicada en Juan Pablo II Bellavista 306, Callao. 4.4. Lugar de Estudio y Periodo de Desarrollo La parte experimental se realizó en el laboratorio de la empresa FLOWEN S.A.C. ubicado en la urbanización Portada del sol, Calle Huaca de la Luna Nro. 408, La Molina. Los tratamientos del agua residual se desarrollaron en un promedio de 60 h. 4.5. Técnicas e Instrumentos para la Recolección de la Información 4.5.1. Técnicas Analíticas En la caracterización para determinar los valores de los parámetros físicos (temperatura y color), parámetros químicos (demanda química de oxígeno, demanda bioquímica de oxígeno, aceites y grasas, oxígeno disuelto, potencial de hidrógeno y detergentes) y parámetros microbiológicos (coliformes termotolerantes, escherichia coli y huevos de helmintos) fueron enviados para su análisis al laboratorio SGS del Perú S.A.C. acreditado por INACAL y las técnicas normalizadas para análisis de aguas potables y residuales se realizó de acuerdo al Standard Methods for the examination of water and wastewater 23rd edition, 2017. El parámetro de estudio de la demanda química de oxígeno (DQO), fue medido en base a técnica como se indica en la Tabla 5. 49 Tabla 5 Técnica de análisis de la demanda química de oxígeno. Parámetro Norma de referencia Técnica de análisis Demanda química de oxígeno SMEWW-APHA-AWWA- WEF Part 5220 D, 23rd Ed. 2017 Chemical Oxygen Demand (COD). Closed Reflux, Colorimetric Method. Nota: Adaptado del Standard Test Methods (2017). 4.5.2. Instrumentos para la Recolección de la Información a) Materiales: - Soporte metálico (prototipo) - Tubo PVC - Accesorios de tubería PVC - Tanque acrílico de 5 L de volumen - Carbón activado granulado - 4 vasos de precipitado de 500 mL - Cono imhoff b) Equipos: - Balanza analítica - Colorímetro de marca HACH, modelo DR 900 - Reactor de digestión de marca HACH, modelo DRB 200 - Bomba de lavadora - Sistema fotovoltaico (panel solar de 50 W, controlador de 10 A, batería de 50 A y un inversor de 600 W) - Lámpara UV de 16 W marca PHILIPS, modelo TUV T5 50 - Caudalímetro marca LZT, modelo M-15 - pH-metro marca HANNA, modelo HI 98130 c) Reactivos: - 1 L de peróxido de hidrógeno al 50% de concentración - 200 g de sulfato ferroso de 99% de pureza - 1 L de hidróxido de sodio de 50% de concentración - 30 viales de digestión para DQO 4.6. Metodología El presente proyecto de investigación se realizó en 4 etapas: Primera etapa: Se realizó la caracterización del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la FIQ-UNAC mediante el análisis de los parámetros físicos (temperatura y color), parámetros químicos (demanda química de oxígeno, demanda bioquímica de oxígeno, aceites y grasas, oxígeno disuelto, potencial de hidrógeno y detergentes) y parámetros microbiológicos (coliformes termotolerantes, escherichia coli y huevos de helmintos), teniendo en cuenta la metodología de monitoreo para el análisis de la muestra del laboratorio SGS del Perú S.A.C. acreditado por INACAL. Se preservó y conservó la muestra, enviándose para su análisis. Segunda etapa: Se realizó el tratamiento del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la FIQ-UNAC mediante el sistema de foto-Fenton y adsorción realizando el seguimiento en el proceso foto-Fenton a la demanda química de oxigeno (DQO) para determinar la mejor condición para remover la DQO (%) en un proceso batch con recirculación, realizándose monitoreos después de 2 h por cada corrida experimental en un volumen constante de 5 L de muestra y mediante el diseño factorial se evaluó las dosis de peróxido de hidrógeno (10 mL/L, 15 mL/L, 20 mL/L) y las 51 dosis de sulfato ferroso (100 mg/L, 150 mg/L, 200 mg/L) por triplicado para obtener resultados estadísticamente confiables teniendo 9 tipos de tratamientos y 27 corridas experimentales en total. Los resultados de cada tratamiento fueron anotados en una lista de datos como se muestra en la Tabla 6. Tabla 6 Matriz factorial (factores y niveles del proceso foto-Fenton). Tratamientos Réplicas Dosis de H2O2 (mL/L) Dosis de FeSO4 (mg/L) T0 T0-M0 0 0 T1-M1 10 100 T1 T1-M2 10 100 T1-M3 10 100 T2-M1 10 150 T2 T2-M2 10 150 T2-M3 10 150 T3-M1 10 200 T3 T3-M2 10 200 T3-M3 10 200 T4-M1 15 100 T4 T4-M2 15 100 T4-M3 15 100 T5-M1 15 150 T5 T5-M2 15 150 T5-M3 15 150 T6-M1 15 200 T6 T6-M2 15 200 T6-M3 15 200 T7-M1 20 100 T7 T7-M2 20 100 T7-M3 20 100 T8-M1 20 150 T8 T8-M2 20 150 T8-M3 20 150 T9-M1 20 200 T9 T9-M2 20 200 T9-M3 20 200 Nota: Dosis de peróxido de hidrogeno (10 mL/L, 15 mL/L, 20 mL/L) y dosis de sulfato ferroso (100 mg/L, 150 mg/L, 200 mg/L) por triplicado. 52 Tercera etapa: Después del proceso foto-Fenton el agua residual pasó a la siguiente etapa de post-tratamiento por adsorción mediante un filtro de 500 g de carbón activado de cáscara de coco para remover residuales de DQO, color y trazas de contaminantes asegurando de esa manera la calidad del agua residual tratada. Cuarta etapa: Después del sistema de tratamiento de foto-Fenton y adsorción y respecto al tratamiento más eficiente se realizó el análisis de los parámetros físicos (temperatura y color), parámetros químicos (demanda química de oxígeno, demanda bioquímica de oxígeno, aceites y grasas, oxígeno disuelto, potencial de hidrógeno y detergentes) y parámetros microbiológicos (coliformes termotolerantes, escherichia coli y huevos de helmintos) para conocer las características agua residual tratada. 4.7. Análisis y Procesamiento de Datos El análisis y procesamiento de los datos se efectuó mediante el software estadístico Minitab 19, usando diseño de experimentos se empleó un diseño factorial (dos factores y tres niveles por triplicado), donde el programa estadístico procesó los datos obtenidos de las diferentes combinaciones de tratamiento y mediante su aplicación se generó tablas, gráficos; y para determinar el efecto de los factores (dosis de peróxido de hidrógeno y dosis de sulfato de ferroso) en la variable respuesta (eficiencia de remoción de la DQO) se realizó los siguientes análisis estadísticos: Análisis de residuales, análisis de varianza (ANOVA), diagrama de Pareto, ecuación del modelo, gráfica de efectos principales, gráfica de interacción, gráfica de contorno. 53 V. RESULTADOS 5.1. Resultados Descriptivos 5.1.1. Caracterización del Agua Residual De acuerdo a la Tabla 7, en la caracterización del agua residual antes del tratamiento (T0), los parámetros que no cumplen con el ECA para Agua-Categoría 3 fue la demanda química de oxígeno, demanda bioquímica de oxígeno, aceites y grasas y potencial de hidrógeno, siendo parámetros de mayor interés en los procesos de tratamiento. Tabla 7 Caracterización del agua residual antes del tratamiento. Parámetros Unidad Agua residual (T0) ECA-categoría 3 Demanda química de oxígeno mg/L 10089,50 40,00 Demanda bioquímica de oxígeno mg/L 1052,50 15,00 Aceites y grasas mg/L 629,10 5,00 Oxígeno disuelto mg/L < 1,00 ≥ 4,00 Potencial de hidrógeno Unidad de pH 2,88 6,50 - 8,50 Detergentes mg/L 1,34 1000,00 Temperatura °C 20,00 Δ 3,00 Color Escala Pt/Co 10,00 100,00 Coliformes termotolerantes NMP/100 mL < 1,80 1000,00 Escherichia coli NMP/100 mL < 1,80 1000,00 Huevos de helmintos Huevo/L 0,00 1,00 Nota: Parámetros T0 medido por el laboratorio acreditado SGS del Perú S.A.C. 54 5.1.2. Tratamiento del Agua Residual Mediante el Proceso de Foto-Fenton De acuerdo a la Tabla 8, los tratamientos aplicados a diferentes dosis de peróxido de hidrógeno y sulfato ferroso en el proceso de foto-Fenton se llegó a la máxima eficiencia de remoción de la DQO con el tratamiento T5 con una dosis de 15 mL/L de H2O2 y 150 mg/L de FeSO4 llegando a una remoción promedio de la DQO del 99,46%. Tabla 8 Eficiencia de remoción de la DQO en el proceso foto-fenton. Tratamientos Réplicas H2O2 (mL/L) FeSO₄ (mg/L) DQO (mg/L) Eficiencia de remoción de la DQO (%) Promedio de remoción de la DQO (%) T0 T0-M0 0 0 10089,50 0,00 0,00 T1-M1 10 100 559,00 94,46 T1 T1-M2 10 100 545,00 94,60 94,57 T1-M3 10 100 539,00 94,66 T2-M1 10 150 379,00 96,24 T2 T2-M2 10 150 358,00 96,45 96,36 T2-M3 10 150 365,00 96,38 T3-M1 10 200 235,00 97,67 T3 T3-M2 10 200 261,00 97,41 97,55 T3-M3 10 200 246,00 97,56 T4-M1 15 100 79,00 99,22 T4 T4-M2 15 100 68,00 99,33 99,27 T4-M3 15 100 75,00 99,26 T5-M1 15 150 57,00 99,44 T5 T5-M2 15 150 55,00 99,45 99,46 T5-M3 15 150 52,00 99,48 T6-M1 15 200 82,00 99,19 T6 T6-M2 15 200 90,00 99,11 99,15 T6-M3 15 200 86,00 99,15 T7-M1 20 100 193,00 98,09 T7 T7-M2 20 100 186,00 98,16 98,12 T7-M3 20 100 189,00 98,13 T8-M1 20 150 228,00 97,74 T8 T8-M2 20 150 217,00 97,85 97,79 T8-M3 20 150 223,00 97,79 T9-M1 20 200 378,00 96,25 T9 T9-M2 20 200 371,00 96,32 96,33 T9-M3 20 200 363,00 96,40 55 En la Figura 4, se muestra que después del tratamiento del proceso foto-Fenton se llega a la máxima reducción de 54,67 mg/L en promedio de la DQO, estando todavía por encima del ECA para Agua-Categoría 3, que indica un valor de 40 mg/L de concentracion de la DQO; por lo tanto, se requiere de un tratamiento adicional (post- tratamiento) para cumplir con la normativa. Al agregar una excesiva dosis de H2O2 y FeSO4 baja la eficiencia de remoción de la DQO, ya que puede causar interferencias de oxidación en el tratamiento, según lo indica Ramos y Jiménez (2016) en su trabajo de investigación. Figura 4 DQO promedio después del tratamiento por proceso foto-Fenton Nota: Resultados obtenidos en el software estadistico Minitab 19. 56 5.1.3. Tratamiento del Agua Residual Mediante el Proceso de Adsorción El agua residual tratada mediante el proceso de foto-Fenton pasa a un post- tratamiento, denominado proceso de adsorción (T10), por medio de un filtro con carbón activado granular de cáscara de coco, de un peso de 500 g, llegando a una remoción promedio de la DQO del 76,83%, como se muestra en la Tabla 9. Tabla 9 Análisis de la DQO después del tratamiento por adsorción. Tratamientos Réplicas Carbón activado granular (g) DQO (mg/L) Remoción de DQO (%) Promedio de remoción de DQO (%) T0 T0-C0 0 54,67 – – T10-C1 500 11,00 79,88 T10 T10-C2 500 13,00 76,22 76,83 T10-C3 500 14,00 74,39 Nota: Parámetro de la DQO medido con los equipos de propiedad de FLOWEN S.A.C. 5.1.4. Caracterización del Agua Residual después del Tratamiento de Foto- Fenton y Adsorción De acuerdo con los parámetros analizados después del tratamiento en conjunto, mediante los procesos de foto-Fenton y adsorción, estos cumplen con los valores de la Categoría 3: Riego de vegetales y bebida de animales del Decreto Supremo N° 004- 2017-MINAM.-Estándares de Calidad Ambiental (ECA) para Agua. En la Tabla 10, se muestra que la remoción de la demanda química de oxígeno fue del 99,88%, demanda bioquímica de oxígeno fue del 99,61%, aceites y grasas fue del 99,94%, detergentes fue del 99,99% y color fue del 90,00%. 57 Tabla 10 Eficiencia de remoción de parámetros después del tratamiento por foto-Fenton y adsorción. Parámetros ECA- categoría 3 Agua residual Agua residual tratada Eficiencia de remoción (%) Demanda química de oxígeno (mg/L) 40,00 10089,50 12,30 99,88 Demanda bioquímica de oxígeno (mg/L) 15,00 1052,50 4,10 99,61 Aceites y grasas (mg/L) 5,00 629,10 0,40 99,94 Oxígeno disuelto (mg/L) ≥ 4,00 1,00 8,50 – Potencial de hidrógeno 6,50 - 8,50 2,88 7,97 – Detergentes (mg/L) 1000,00 1,34 0,05 99,99 Temperatura (°C) Δ 3,00 20,00 19,00 – Color (escala Pt/Co) 100,00 10,00 1,00 90,00 Coliformes termotolerantes (NMP/100 mL) 1000,00 1,80 1,80 – Escherichia coli (NMP/100 mL) 1000,00 1,80 1,80 – Huevos de helmintos (Huevo/L) 1,00 0,00 0,00 – Nota: Parámetros medidos por el laboratorio acreditado SGS del Perú S.A.C. En la Figura 5, se puede observar que después del tratamiento de las aguas residuales mediante los procesos de foto-Fenton y adsorción, la remoción de la 58 demanda química de oxígeno, demanda bioquímica de oxígeno, aceites y grasas, detergentes y color están por encima del 90,00% en promedio. Figura 5 Resultados de la remoción de parámetros del agua residual después del tratamiento de foto-Fenton y adsorción. Nota: Resultados obtenidos en el software estadistico Minitab 19. 5.2. Resultados Inferenciales 5.2.1. Prueba Estadística de Residuales en el Proceso de Foto-Fenton En la Tabla 11, se muestra un total de 2 factores y 3 niveles del diseño factorial, siendo 9 los tratamientos. El diseño experimental se realizó por triplicado, siendo en total 27 corridas experimentales en el proceso de foto-Fenton para el tratamiento del agua residual generada en el laboratorio de química orgánica de la FIQ-UNAC como primera etapa de tratamiento. 59 Tabla 11 Resumen del diseño factorial. Resumen de diseño Factores: 2 Réplicas: 3 Corridas base: 9 Total de corridas: 27 Bloques base: 1 Total de bloques: 3 Nota: En el diseño se presenta 9 tratamientos por triplicado teniendo 27 corridas experimentales en total. Para una prueba estadística paramétrica correcta se deben de analizar los residuos (eij) que son generados por la diferencia entre la respuesta observada (Yij) y la respuesta predicha (Ŷij) por el modelo en cada tratamiento: eij = Yij - Ŷij Los residuales deben cumplir los siguientes supuestos: - Normalidad. - Varianza constante (igual varianza en los tratamientos). - Independencia. Se debe evaluar las hipótesis estadisticas de los residuales en base a la prueba de normalidad de Ryan-Joiner, que indica que cuando el coeficiente de correlación (RJ) está cerca a 1 es probable que la poblacion sea normal. Siendo las hipótesis de prueba para el análisis de la normalidad: H0: Los residuos siguen una distribución normal. H1: Los residuos no siguen una distribución normal. Nivel de significancia (α) = 0,05 Si el valor p < α, se rechaza H0; Si el valor p > α, no se rechaza H0 60 En la Figura 6, para la condición de normalidad, se puede observar que a un intervalo de confianza del 95% los datos están relativamente cerca de la línea de distribución normal ajustada con un coeficiente de correlación (RJ) = 0.975 y el valor p = 0,10 es mayor que el nivel de significancia de 0,05; por lo tanto, no hay suficiente evidencia estadística para rechazar la hipótesis nula (H0), por lo se concluye que los datos siguen una distribución normal. Figura 6 Gráfica de probabilidad normal de residuos. Nota: Resultados obtenidos en el software estadistico Minitab 19. Para la condición de varianza constante, también conocido como supuesto de homocedasticidad u homogeneidad de varianzas, se comprueba mediante la prueba estadística de Bartlett, donde se plantea las siguientes hipótesis estadísticas: H0: La varianza de los residuos son iguales. H1: La varianza de los residuos son diferentes. Nivel de significancia (α) = 0,05 61 Si el valor p < α, se rechaza H0; Si el valor p > α, no se rechaza H0 En la Figura 7, se representa en el eje horizontal los valores de las medias de los tratamientos y en el eje vertical los residuos; mediante la prueba de Bartlett de los residuales el valor p es de 0.148 siendo mayor que el nivel de significancia de 0,05; por lo cual no hay suficiente evidencia estadística para rechazar la hipótesis nula (H0) y además en la figura se puede observar que los residuos están distribuidos aleatoriamente y la varianza en los diferentes tratamientos son aproximadamente iguales por lo tanto cumple la condición de varianza constante. Figura 7 Gráfica de varianza de residuos. Nota: Resultados obtenidos en el software estadistico Minitab 19. En la Figura 8, se representa en el eje horizontal el orden de los tratamientos y en el eje vertical los residuos, para la condición de independencia se emplea la prueba de Durbin-Watson donde las hipótesis de prueba son: H0: Los residuos no tienen correlación H1: Los residuos tienen correlación. 62 Donde se tiene los supuestos: Si d < dL Se rechaza H0 Si d > dU No se rechaza H0 Si dL ≤ d ≤ dU Sin decisión Mediante la prueba estadística de Durbin-Watson se obtiene un valor d = 2,51560 siendo el límite inferior dL = 1,23991 y un límite superior dU = 1,5562 donde se puede determinar que d = 2,51560 > dU = 1,5562 donde no se rechaza H0, además los residuos no muestran tendencias ni patrones en el orden cronológico (en los tratamientos); por lo tanto, se concluye que los residuos y con ello los tratamientos aplicados son independientes. Figura 8 Gráfica de independencia de residuos. Nota: Resultados obtenidos en el software estadistico Minitab 19. De acuerdo a que los residuales cumplen la condiciones de normalidad, varianza constante e independencia, la prueba estadística parámetrica es la correcta y se prosigue con los siguientes análísis estadísticos. En la Figura 9, se muestra que la dosis del peróxido de hidrógeno (A) y la dosis de sulfato ferroso (B) influyen en la eficiancia de remoción de la DQO, así como la 63 interacción de la dosis del peróxido de hidrógeno y dosis de sulfato ferroso (AB). Los factores y las interaciones influyen positivamente en la variable respuesta (remoción de la DQO) ya que sobrepasan el nivel de referencia de 2,12 generado por el mismo programa estadístico de acuerdo al nivel de significancia de 0,05 utilizado. Figura 9 Diagrama de Pareto Nota: Resultados obtenidos en el software estadistico Minitab 19. 5.2.2. Prueba de Hipótesis Estadística en el Proceso de Foto-Fenton Las hipótesis estadísticas son: H0: 𝝉𝟏=𝝉𝟐=𝝉𝟑=𝝉𝟒=𝝉𝟓=𝝉6=𝝉7=𝝉8=𝝉9, todas las medias (promedios) de la remoción de la DQO son iguales. H1: 𝝉 ≠𝟎, por lo menos una media es diferente. Nivel de significancia (α) = 0,05 Si el valor p < α, se rechaza H0; Si el valor p > α, no se rechaza H0 64 En la Tabla 12, el valor p = 0,000 de los factores: Dosis del peróxido de hidrógeno (A) y dosis de sulfato ferroso (B) y la interacción entre ellas (AB) es menor que el nivel de significancia utilizado de 0,05 a un nivel de confianza del 95%, donde existe suficiente evidencia estadística para rechazar la hipótesis nula. Por lo tanto, se concluye que las medias de los tratamientos difieren; es decir, que la dosis del peróxido de hidrógeno y la dosis de sulfato ferroso influyen de manera significativa en el porcentaje de remoción de la DQO en cada tratamiento. Tabla 12 Análisis de varianza (ANOVA). Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p Modelo 10 63,8153 6,3815 1127,43 0,000 Bloques 2 0,0160 0,0080 1,41 0,272 Lineal 4 46,0873 11,5218 2035,56 0,000 Peróxido de hidrógeno (mL/L) 2 44,6912 22,3456 3947,80 0,000 Sulfato ferroso (mg/L) 2 1,3961 0,6981 123,33 0,000 Interacciones de 2 términos 4 17,7120 4,4280 782,30 0,000 Peróxido de hidrógeno (mL/L). Sulfato ferroso (mg/L) 4 17,7120 4,4280 782,30 0,000 Error 16 0,0906 0,0057 Total 26 65,0242 Nota: Resultados obtenidos del software estadistico Minitab 19. 5.2.3. Estadísticos de Bondad en el Proceso de Foto-Fenton Se observa en la Tabla 13, que el coeficiente de determinación (R2 ajustado) es de 99,77% el cual es un valor adecuado de ajuste del modelo, donde nos indica que los 65 factores de la dosis del peróxido de hidrógeno y dosis de sulfato ferroso influyen en gran magnitud en la remoción de DQO. Tabla 13 Resumen de los estadísticos de bondad. S R2 R2 (ajustado) 0,0752347 99,86% 99,77% Nota: Resultados obtenidos del software estadistico Minitab 19. Donde: - S: Representa la desviación estándar se utiliza para evaluar qué tan bien el modelo describe la respuesta. - R2: Es el porcentaje de variación en la respuesta que es explicada por el modelo, Mientras mayor sea el valor de R2, mejor se ajustará el modelo a los datos. R2 siempre está entre 0% y 100%. - R2 (ajustado): Se utiliza R2 ajustado cuando se desee comparar modelos que tengan diferentes números de predictores. 5.2.4. Ecuación de Regresión de Modelo De acuerdo a los factores y niveles se genera una ecuación de regresión del modelo, donde se tiene la ecuación general. Se toma el valor de la constante (97.6217) y se le suma los valores de cada dosis de H2O2 y FeSO4, que van de acuerdo al subindice en la ecuación con su respectivo signo, para determinar la eficiencia de remoción promedio de la DQO en cada tratamiento: 66 Remoción de la DQO (%) = 97.6217 - 1.4617 Peróxido de hidrógeno (mL/L)_10 + 1.6691 Peróxido de hidrógeno (mL/L)_15 - 0.2074 Peróxido de hidrógeno (mL/L)_20 - 0.3010 Sulfato ferroso (mg/L)_100 + 0.2485 Sulfato ferroso (mg/L)_150 + 0.0525 Sulfato ferroso (mg/L)_200 - 1.2870 Peróxido de hidrógeno (mL/L)*Sulfato ferroso (mg/L)_10 100 - 0.0492 Peróxido de hidrógeno (mL/L)*Sulfato ferroso (mg/L)_10 150 + 1.3362 Peróxido de hidrógeno (mL/L)*Sulfato ferroso (mg/L)_10 200 + 0.2768 Peróxido de hidrógeno (mL/L)*Sulfato ferroso (mg/L)_15 100 - 0.0811 Peróxido de hidrógeno (mL/L)*Sulfato ferroso (mg/L)_15 150 - 0.1957 Peróxido de hidrógeno (mL/L)*Sulfato ferroso (mg/L)_15 200 + 1.0102 Peróxido de hidrógeno (mL/L)*Sulfato ferroso (mg/L)_20 100 + 0.1303 Peróxido de hidrógeno (mL/L)*Sulfato ferroso (mg/L)_20 150 - 1.1405 Peróxido de hidrógeno (mL/L)*Sulfato ferroso (mg/L)_20 200 5.2.5. Gráficas de Efectos Principales y Interacción en el Proceso de Foto-Fenton En la Figura 10, la dosis de peróxido de hidrógeno tiene un mayor efecto que la dosis de sulfato ferroso por la mayor amplitud en la remoción de la DQO. A una dosis de 15 mL/L de peróxido de hidrógeno se logra remover la DQO en mayor proporción que a una dosis de 10 mL/L y 20 mL/L. A una dosis de 150 mg/L de sulfato ferroso se logra remover la DQO en mayor porcentaje en comparación con la dosis de 100 mg/L y 200 mg/L. 67 Figura 10 Gráfica de efectos principales para la remoción de la DQO. Nota: Resultados obtenidos en el software estadistico Minitab 19. En la Figura 11, de manera general, se obtiene una mejor remoción de la DQO en promedio, a una dosis de 15 mL/L de peróxido de hidrógeno en combinación con una dosis de 150 mg/L de sulfato ferroso, en un tiempo de tratamiento de 2 horas. 68 Figura 11 Gráfica de interacción para la remoción de la DQO. Nota: Resultados obtenidos en el software estadistico Minitab 19. Para obtener una remocion de la DQO > 99,40%, como se muestra en la Figura 12, se requiere una dosis de 15,00 mL/L a 17,50 mL/L de peróxido de hidrógeno y una dosis de 100 mg/L a 170 mg/L aproximadamente, en un tiempo de tratamiento de 2 horas. 69 Figura 12 Gráfica de contorno para la remoción de la DQO. Nota: Resultados obtenidos en el software estadistico Minitab 19. 70 VI. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 6.1. Contrastación y Demostración de la Hipótesis con los Resultados De acuerdo a la primera hipótesis específica planteada en el presente estudio, en la Tabla 7 se muestra la caracterización del agua residual proveniente del laboratorio de química orgánica de la FIQ-UNAC donde los parámetros que cumplen con el ECA para Agua-Categoría 3 son los detergentes, temperatura y color; además se reportó la no presencia de coliformes termotolerantes, escherichia coli y huevos de helmintos estando por debajo del límite de detección; en cambio la demanda química de oxígeno, demanda bioquímica de oxígeno, aceites y grasas, oxígeno disuelto y potencial de hidrógeno son los parámetros que no cumplen con la normativa, lo cual indica que el agua residual requiere de un sistema de tratamiento. De acuerdo a la relación DBO5/DQO de la muestra caracterizada (1052,50/10089,50 = 0,104), indica que el agua residual es no biodegradable, contrastando y demostrando la hipótesis planteada. De acuerdo a la segunda hipótesis específica planteada en el presente estudio, en el proceso foto-Fenton se obtuvo una mejor reducción de la DQO mediante la dosis optima de 15 mL/L de peróxido de hidrogeno (H2O2) y de 150 mg/L de sulfato ferroso (FeSO4) llegando a una eficiencia de remoción máxima de la DQO del 99,46% por 2 h de tratamiento; contrastando y demostrando la hipótesis planteada. Ver Tabla 8. De acuerdo a la tercera hipótesis específica planteada en el presente estudio, en el proceso de adsorción que se realizó mediante un filtro de 500 g de carbón activado granular de cáscara de coco, que tiene la capacidad de retener contaminantes en su superficie porosa, se llegó a una remoción máxima promedio de la DQO del 76,83% siendo incluso mayor que el 60% de remoción de la DQO planteada en la investigación, tomando como referencia los estudios realizados por Aragón et al (2013) y Franco et al (2013); contrastando y demostrando la hipótesis planteada. Ver Tabla 9. 71 De acuerdo a la cuarta hipótesis específica planteada en el presente estudio, después de la aplicación de los procesos de tratamiento en continuo de foto-Fenton y adsorción, se realizó la caracterización del agua residual tratada resultando que las concentraciones de los parámetros medidos, como se muestra en la Tabla 10, cumplen con el ECA para Agua-Categoría 3: Riego de vegetales y bebida de animales según el D.S. N° 004-2017-MINAM; contrastando y demostrando la hipótesis planteada. De acuerdo a la contrastación de las hipótesis específicas se llega a la demostración de la hipótesis general, que el sistema de foto-Fenton y adsorción mejora eficientemente la calidad de las aguas residuales proveniente del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Callao. 6.2. Contrastación de los Resultados con otros Estudios Similares 6.2.1. Para la Remoción de la DQO en el Proceso de Foto-Fenton De la Tabla 8 se puede apreciar que, el porcentaje más alto de la eficiencia de remoción de la DQO promedio después del tratamiento mediante el proceso de foto- Fenton es de 99,46%, dicho resultado es mayor al que obtuvo Florencia (2015) en su investigación, “Diseño de una instalación para tratar un agua residual textil combinando tratamiento físico-químico y oxidación avanzada (Qdiseño = 100 m3/d)”, cuyo resultado fue del 90,19% de remoción de la DQO. En el estudio realizado por Ramos y Jiménez (2016), “Degradación de desechos tóxicos provenientes de laboratorios universitarios con foto-Fenton solar usando diseño de experimentos”, se llegó un porcentaje de remoción del 97% de la DQO, mientras que en nuestra investigación fue de 99,46% de eficiencia de remoción de la DQO, así mismo el estudio de Ramos y Jiménez llega a la conclusión que la excesiva dosis de Fe(II) y 72 H2O2 disminuye la eficiencia de remoción de DQO como pasó en nuestras pruebas realizadas. En el estudio realizado por Gil (2011), “Procesos avanzados de oxidación para el tratamiento de residuos líquidos peligrosos procedentes de los laboratorios de Ingeniería de Procesos”, se llegó una eficiencia de remoción de la DQO del 78%, mientras que en nuestra presente investigación fue mayor llegando al 99,46% de remoción de la DQO. En el estudio realizado por Berrio et al (2012), “Sistemas de tratamiento para residuos líquidos generados en laboratorios de análisis químico”, se llegó un porcentaje de remoción de la DQO entre 45% a 85%, mientras que en nuestra presente investigación mediante el proceso de foto-Fenton se llegó a una remoción de la DQO entre 94,57% a 99,46% en promedio. En el estudio realizado por Rosales (2017), “Reducción del contenido de colorantes en efluentes de la industria textil usando el proceso Fenton, Zarate, 2017”, se llegó un porcentaje de remoción del 66,10% de la DQO, mientras que en nuestra presente investigación fue mayor, llegando al 99,46% de remoción de la DQO. En el estudio realizado por Sánchez y García (2018), “Tratamiento de aguas residuales de cargas industriales con oxidación avanzada en sistemas convencionales”, se llegó una remoción de la DQO del 44,40%, aumentado el índice de biodegradabilidad del agua residual a 0,46; mientras que en nuestra presente investigación se llegó a un 99,46% de remoción de la DQO y a un índice de biodegradabilidad de 0,33. 73 6.2.2. Para la Remoción de la DQO en el Proceso de Adsorción De la Tabla 9 se puede apreciar que, la eficiencia de remoción de la DQO promedio, después del tratamiento mediante el proceso de adsorción con carbón activado, fue del 76,83%; dicho resultado es mayor al que obtuvo Aragón et al (2013) en su investigación, “Uso de carbón activado granular (CAG) en un biofiltro para el tratamiento de efluentes”, cuyo resultado fue del 60% de remoción de DQO. En el estudio realizado por Franco et al (2013), “Remoción de contaminantes en aguas residuales industriales empleando carbón activado”, se llegó a un porcentaje de remoción del 66,82% de la DQO, mientras que en nuestra presente investigación fue mayor llegando al 76,83% de remoción de la DQO. 6.2.3. Para la Remoción de los Contaminantes Mediante los Procesos de Foto- Fenton y Adsorción De la Tabla 10 se apreciar que, después del tratamiento en continuo mediante los procesos de foto-Fenton y adsorción, la eficiencia de remoción de la DQO es de 99,88%, DBO5 es de 99,61%, aceites y grasas es de 99,94%, detergentes es de 99,99% y color es de 90,00% a comparación del estudio realizado por Méndez et al (2010), “Determinación de la dosis óptima de reactivo Fenton en un tratamiento de lixiviados por Fenton-adsorción”, cuyo resultado de la eficiencia de remoción de la DQO fue del 98,90% y la remoción del color fue del 100%. En el estudio realizado por Rincón et al (2015), “Producción de carbón activado mediante métodos físicos a partir de carbón de El Cerrejón y su aplicación en el tratamiento de aguas residuales provenientes de tintorerías”, se llegó a una eficiencia 74 de remoción del 70% del color, mientras que en nuestra presente investigación fue mayor llegando al 90% de remoción del color. En el estudio realizado por Espinal (2017), “Eficiencia del carbón activado a base de cáscara de coco en el tratamiento de aguas residuales domesticas en el AA. HH. 10 de octubre, distrito de San Juan de Lurigancho, Lima, año 2017”, se llegó a una eficiencia de remoción de 56,20% de DBO5, 90,96% de aceites y grasas, mientras que la presente investigación llegó a la remoción del 99,61% de DBO5 y 99,94% de aceites y grasas. 6.3. Responsabilidad Ética Dentro de los principios y compromisos con la responsabilidad ética, de acuerdo con los reglamentos vigentes, se desarrolló el presente trabajo de investigación “Sistema foto-Fenton y adsorción para mejorar la calidad de las aguas residuales del laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ingeniería Química de la UNAC”. Los resultados obtenidos del análisis del agua residual fueron validados por el laboratorio acreditado SGS del Perú S.A.C.; así mismo el desarrollo de la investigación tuvo como base las teorías y antecedentes de estudios ya realizados al tema las cuales han sido debidamente referenciados, evidenciando de esta forma la originalidad de nuestro trabajo de investigación. 75 VII. CONCLUSIONES 1. El sistema de foto-Fenton y adsorción mejoró eficientemente la calidad de las aguas residuales llegando a una remoción del 99,88% de la DQO, 99,61% de la DBO5, 99,94% de aceites y grasas, 99,99% de detergentes y 90,00% de color. 2. La caracterización del agua residual permitió conocer la composición inicial de los parámetros físicos (temperatura y color), químicos (demanda química de oxígeno, demanda bioquímica de oxígeno, aceites y grasas, oxígeno disuelto, potencial de hidrógeno y detergentes) y microbiológicos (coliformes termotolerantes, escherichia coli y huevos de helmintos); y de acuerdo al índice biodegradabilidad (DBO5/DQO) que está en la relación de 0,104, indicando que el agua residual es no biodegradable. 3. En el tratamiento mediante el proceso foto-Fenton la dosis optima que permitió la máxima reducción de la DQO fue de 15 mL/L de peróxido de hidrogeno (H2O2) y 150 mg/L de sulfato ferroso (FeSO4), llegando a una eficiencia de remoción de la DQO del 99,46%. 4. En el tratamiento por adsorción la eficiencia promedio de remoción de la DQO fue del 76,83%. 5. Después del sistema de tratamiento aplicado en serie, de foto-Fenton y adsorción el valor de los parámetros físicos, químicos y microbiológicos analizados cumplen con el ECA para Agua-Categ