Aplicación de métodos híbridos de filtración por electrocoagulación en el pretratamiento del agua residual en acuicultura

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Por: Jianping Xu, Yishuai Du, Tianlong Qiu, Li Zhou, Ye Li, Fudi Chen y Jianming Sun

Actualmente la tecnología de filtración por electrocoagulación (EC) se aplica exitosamente en la purificación del agua y en el tratamiento de aguas residuales de la industria. El objetivo del presente estudio fue investigar los efectos de la EC en aguas de desecho de la acuicultura, ya que su aplicación es escasa.

En los sistemas acuícolas de recirculación (RAS) el efluente de los tanques es conducido a través de equipo de separación líquido-sólido, y posteriormente a través de equipos que proveen oxidación biológica, oxigenación y desinfección, para poder reciclarlo.

El pretratamiento de agua residual mediante equipo de separación sólido-líquido reduce la carga y el consumo de energía del sistema.

En varios RAS se utiliza un filtro de tambor con micro rejas, donde la tasa de remoción de partículas suspendidas depende de la luz de malla de las membranas.

Un método que aumenta la eficiencia de la filtración del flujo es la adición de sales floculantes como aluminio (Al) o hierro (Fe) al flujo posterior a la filtración. .

La electrocoagulación (EC) es también un método común para promover la separación sólido-líquido del flujo residual en el cual el ánodo galvánico (o de sacrificio) libera cationes de metal con características de floculación bajo la acción de un campo eléctrico externo, formando así flóculos que absorben los contaminantes del agua.

Adicionalmente, el proceso de EC produce oxidantes activos, como algunos tipos de oxígeno reactivo y cloro libre, que pueden degradar la demanda química de oxígeno, el color, microorganismos, amonio y nitritos.

“En comparación con los métodos tradicionales de floculación, el EC presenta las ventajas de producir menos contaminación secundaria y menos lodos a la salida”.

Actualmente la tecnología de filtración por EC se aplica exitosamente en la purificación del agua y en el tratamiento de aguas residuales de la industria. El tamaño, estructura y firmeza de los flóculos producidos por EC tienen un impacto significativo en los procesos subsecuentes de filtración y separación.

Las propiedades de los flóculos se relacionan con varios factores, tales como el material del ánodo, la densidad y el pH de la corriente, y las condiciones hidráulicas.

El material del ánodo y el tiempo del tratamiento de EC son muy importantes porque determinarán el tipo y calidad de los flóculos. El objetivo del presente estudio fue investigar los efectos de la EC en aguas de desecho de la acuicultura, pues su aplicación es escasa.

La electrocoagulación (EC) es también un método común para promover la separación sólido-líquido del flujo residual en el cual el ánodo galvánico (o de sacrificio) libera cationes de metal con características de floculación bajo la acción de un campo eléctrico externo, formando así flóculos que absorben los contaminantes del agua.

Materiales y métodos. Sistema experimental

Se diseñó un sistema de flujo con filtración EC a escala de laboratorio, compuesto por tres secciones: un reactor de EC, un floculador de mezcla y un equipo de filtración. El reactor de EC se compone de una fuente de poder DC, electrodos y una celda electrolítica. Los rangos del regulador de voltaje y de corriente fueron de 0-3 V y 0-30 A, respectivamente.

El volumen efectivo del reactor de EC fue de 5 litros, en el que nueve grupos de electrodos fueron acomodados en paralelo: cuatro grupos de ánodos estaban compuestos por electrodos de placa de Al o Fe, y cinco grupos de cátodos contenían electrodos de placa de titanio (Ti).

La distancia entre electrodos fue de 1.5 cm. Cada placa de electrodo tenía 20 cm de longitud, 5 cm de ancho y 0.3 cm de grueso; la longitud sumergida fue de 15 cm y el área efectiva de trabajo fue de 0.016 m2.

Para realizar este estudio se diseñó un sistema de flujo con filtración EC a escala de laboratorio, compuesto por tres secciones: un reactor de EC, un floculador de mezcla y un equipo de filtración.

El floculador de mezcla fue dispuesto verticalmente, y su volumen era de 1.5 litros. Se colocó entre el reactor EC y el equipo de filtración; el flujo era ascendente. El fondo del floculador estaba equipado con un sistema de micro aireación y el flujo de aire de 1.0 litros/min evitaba la sedimentación de los flóculos.

El floculador de mezcla mejoraba la frecuencia de contacto entre los flóculos y las partículas en suspensión, aumentando así la eficiencia de la floculación y de la adsorción. Después del tratamiento de floculación por EC, las aguas residuales de la acuicultura son filtradas.

El equipo utilizado fue un filtro de barril (10 cm de diámetro y 15 cm de largo; 0.031 m2 de superficie) con micro rejilla de acero inoxidable de entre 50 y 75 μm de luz.

Las aguas residuales utilizadas provinieron de efluentes de cultivos en RAS de Litopenaeus vannamei, en Dalian, China. Las características se enlistan en la Tabla 1.

Diseño experimental

Se probaron cinco combinaciones de ánodos (Al-Al-Al-Al, Al-Fe-Al-Al, Al-Fe-Al-Fe, Fe-Al-Fe-Fe, y Fe-FeFe-Fe), tres tiempos de retención hidráulica (TRH) (1.5 min, 3.0 min y 4.5 min) en el reactor de EC, y cuatro porosidades del filtro (75, 63, 54 y 45 μm). Una muestra de control fue corrida sin aplicar el tratamiento de EC, sino solamente el sistema de filtración. Los diferentes TRH se obtienen por modificación del flujo.

Cuando los TRH del reactor de EC eran de 1.5, 3 y 4.5 minutos, el flujo de entrada correspondía a 200, 100 y 67 litros/h, respectivamente.

El experimento estuvo orientado a medir el efecto de remoción del número total de Vibrio, la demanda química de oxígeno (DQO), nitrógeno amoniacal total (NAT), nitrógeno-nitrito (NO2-N), nitrato nitrógeno (NO3-N) y nitrógeno total (NT) del agua de desecho de la acuacultura, mediante el uso de un sistema de filtración por EC, y una combinación de ánodos, TRH y porosidad de filtros.

“Las muestras se tomaron a la entrada del sistema, después del tratamiento de EC, y a la salida para evaluar la capacidad del tratamiento del sistema completo de filtración”.

Métodos de análisis

Los métodos estándar se describen en detalle en el artículo original, recomendamos a nuestros lectores consultar dicho artículo que se encuentra citado al final de este contenido.

Resultados y discusión

El efecto de filtración por EC en el número total de Vibrio se basa en dos factores:

  • 1. El rol de los electrodos, el campo eléctrico y los oxidantes. Durante el EC, el electrodo adsorbe y mata parte de las bacterias, y el campo eléctrico destruye la membrana celular de los gérmenes. Además, el EC produce sustancias activas oxidantes con función bactericida, tales como OH, O2 y Cl2.
  • 2. El rol de la neutralización/floculación eléctrica y la filtración mecánica o física. Los iones cargados, generados por la EC, pueden neutralizar la carga superficial de las bacterias patógenas, reduciendo la repulsión electrostática y formando flóculos, que también absorben bacterias. Los flóculos serán removidos del sistema en la filtración mecánica.

Con un TRH de 1.5 min y una combinación de ánodos de 4Al, 3Al+Fe, 2Al+2Fe, Al+3Fe, y 4Fe, la eficiencia de remoción de Vibrio por el reactor EC fue de 6.98 ± 1.90%, 8.19 ± 1.61%, 12.56 ± 1.13%, 15.27 ± 1.13%, y 17.23 ± 0.98%, respectivamente; y cuando el TRH incrementó a 4.5 min, la remoción alcanzó 37.07 ± 1.40%, 38.79 ± 0.74%, 41.80 ± 1.82%, 45.42 ± 1.49%, y 45.88± 0.56%, respectivamente. El experimento mostró que la esterilización con Fe como ánodo fue más efectiva que con Al, porque se produjo Fe2+ el cual presenta habilidades bactericidas.

Cuando el TRH fue de 4.5 min y la porosidad de los filtros era de 75, 63, 54 y 45 μm, la eficiencia de remoción de Vibrio fue de 5.2 ± 1.84%, 12.26 ± 0.98%, 15.05 ± 0.83%, y 21.36 ± 2.75%, respectivamente.

Una parte de microorganismos se fija en las partículas en suspensión y constituyen un sustrato de crecimiento de bacterias; cuando las partículas son filtradas, se eliminan las bacterias patógenas.

La eficiencia de remoción fue mucho mayor que en el grupo control, y conforme aumenta el TRH y disminuye la porosidad de los filtros, es mejor la remoción de Vibrio.

En nuestro experimento, la mayor eficiencia de remoción se alcanzó con un TRH de 4.5 min, una combinación de ánodo de 2Al+2Fe y una porosidad de filtro de 45 μm.

Esta combinación corresponde a una eficiencia de remoción de 70.75 ± 2.46% que es un valor 3.31 veces mayor que los observados en el grupo control, y el consumo de energía fue de (31.35 ± 0.60) × 10-3 kWh/m3.

Efectos del sistema de filtración EC en la remoción de la DQO

En los RAS, el incremento de DQO favorece el crecimiento de bacterias que aumentan la tasa de consumo de oxígeno, que significan costos añadidos. La eficiencia en la remoción se incrementa con la adición de la proporción del electrodo de Fe y con el aumento del TRH.

En nuestro experimento, cuando la combinación de ánodos fue de 4Fe y el TRH de 4.5 min, la remoción de DQO por el reactor EC fue la mayor. La mayor tasa fue de remoción fue de 22.97 ± 0.30% y su consumo de energía fue de (63.00 ± 0.90) × 103 kWh/m3.

En el grupo control, con un TRH de 4.5 min y poros de filtro de 75, 63, 54 y 45 μm, la eficiencia de remoción de DQO fue de 2.26 ± 0.56%, 4.67 ± 0.44%, 7.09 ± 0.32%, y 9.83 ± 0.49%, respectivamente.

Con un TRH de 4.5 min y poros de filtros de 75, 63, 54 y 45 μm, las tasas más altas de remoción de DQO mediante filtración EC (con una combinación de ánodos de 2Al+2Fe) fueron de 33.28 ± 0.50%, 41.02 ± 0.95%, 46.49 ± 0.85%, y 53.02 ± 0.74%, respectivamente. La eficiencia de remoción aumentó 14.73, 8.78,

“En los RAS, el incremento de la demanda química de oxígeno (DQO) favorece el crecimiento de bacterias que aumentan la tasa de consumo de oxígeno, que significan costos añadidos”.

6.56 y 5.39 veces en comparación con el grupo control. Cuando los poros de los filtros eran de 75, 63 y and 54 μm, el sistema de filtración EC con 2Al+2Fe como ánodo, se tuvo la mejor remoción de DQO, seguida del sistema con Al+3Fe, 4Fe, 3Al+Fe, y 4Al como ánodos, respectivamente. Conforme disminuye la apertura de poros de los filtros, la ventaja de la combinación de ánodos de Al-Fe se vuelve más evidente.

Efectos del sistema de filtración EC en la remoción de NAT, NO2-N, NO3-N y NT

La tecnología de la filtración por EC puede remover NAT, NO2-N y NO3-N al mismo tiempo que elimina desechos y heces fecales. Se demostró que la eficiencia de remoción de NAT y NO2-N se incrementa con el aumento de TRH y la adición de Fe en los ánodos.

Con un TRH de 4.5 min y un ánodo de 4Fe, el reactor EC alcanzó la mayor remoción de NAT y NO2-N, que fue de 63.19 ± 1.69% y 67.42 ± 3.47%, respectivamente, con un consumo de energía de (63.00 ± 0.90) × 103 kWh/m3.

En las mismas condiciones, con un ánodo 4Al, la tasa de remoción de NAT y NO2-N fue de 51.53 ± 1.28% y de 24.24 ± 3.47%, respectivamente, y el consumo de energía fue (24.30 ± 1.35) × 103 kWh/m3. El uso de Fe como ánodo de sacrificio es mayor para el tratamiento de NAT y NO2N, pero demanda mayor consumo de energía.

En la acuicultura, los sólidos suspendidos contienen del 10 al 40% de NT, y pueden ser eliminados por separación sólido-líquido. El tratamiento por EC puede remover el NT del agua por floculación y filtración.

Con un TRH de 4.5 min y filtros con poros de 75, 63, 54 y 45 μm, la eficiencia de remoción de NT en el grupo control (no-EC) fue de 2.91 ± 0.18%, 6.87 ± 0.55%, 9.90 ± 0.95%, y 12.90 ± 1.53%, respectivamente. Con un TRH de 4.5 min y poros de filtros de 75, 63, 54 y 45 μm, las tasas más altas de remoción de NT por el sistema de filtración EC (con 2Al+2Fe como ánodo) fue de 27.40 ± 0.81%, 38.76 ± 0.98%, 50.01 ± 1.54%, y 58.90 ± 1.96%, respectivamente.

La tasa de remoción fue 9.42, 5.64, 5.05 y 4.57 veces más que el grupo control, respectivamente, con un consumo de energía de (31.35 ± 0.6) × 103 kWh/m3.

Análisis del consumo de energía

Cuando la densidad de corriente era de 19.22 A/m2, el TRH del reactor EC fue de 4.5 min, los poros del filtro de 45 μm, y la combinación del ánodo de 3Al+Fe, la eficiencia de remoción para for Vibrio, DQO, NAT, NO2-N, NO3-N yd TN se alcanzaron valores de 69.55 ± 0.93%, 48.99 ± 1.42%, 57.06 ± 1.28%, 34.09 ± 2.27%, 18.47 ± 1.88%, y 55.26 ± 1.42%, respectivamente, y el consumo de energía del reactor EC fue de (26.25 ± 4.95) × 103 kWh/m3.

Conclusiones

  • (1) El proceso de EC podría aumentar la capacidad del equipo de filtración mecánica. Se encontró efectivo el sistema de filtración EC en la remoción de Vibrio, DQO, NAT, NO2-N, NO3-N y TN en el agua residual de la acuacultura, con las mayores eficiencias de remoción del 70.75 ± 2.46%, 53.02 ± 0.74%, 63.19 ± 1.69%, 67.42 ± 3.47%, 19.28 ± 0.11% y 58.90 ± 1.96%, respectivamente.
  • (2) Comparado con el electrodo de Al, cuando el de Fe fue utilizado como ánodo, el sistema de filtración por EC tuvo una fuerte capacidad de electro oxidación, que condujo a la remoción de NAT y NO2-N. Sin embargo, el efecto de coagulación se debilitó relativamente y el consume de energía aumentó 2.59 veces.
  • (3) En comparación con el ánodo sencillo de Al o Fe, el ánodo combinado de Al-Fe tuvo más ventajas. Considerando la eficiencia de remoción y el consumo de energía, la combinación óptima de ánodos fue la de 3Al+Fe. Con esta combinación de ánodos el TRH fue de 4.5 min, el poro de los filtros de 45 μm, resultó que la tasa de la eficiencia de energía del número total de Vibrio, la DQO y el NT del sistema de filtración EC, fueron de 54.47%, 67.03% y 61.97%, respectivamente.
  • (4) Con el incremento del TRH y la disminución del tamaño de los poros del filtro, una mejora en el proceso de filtración por EC se hace más evidente. Cuando el TRH era de 4.5 min y los filtros eran de poros de 45 μm, la máxima eficiencia de remoción para Vibrio, DQO y NT se incrementó respectivamente en 3.31, 5.39 y 4.57 veces más en comparación con el grupo control.

Esta es una versión resumida desarrollada por el equipo editorial de Panorama Acuícola Magazine del artículo “Application of hybrid electrocoagulation-filtration methods in the pretreatment of marine aquaculture wastewater” escrito por: Jianping Xu, Yishuai Du, Tianlong Qiu, Li Zhou, Ye Li, Fudi Chen y Jianming Sun. La versión original fue publicada en 2021 a través de Water Science & Technology.

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