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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMlCAS
CARRERA DE QUÍMICA
EVALUACION DE LA BIOMASA PRODUCIDA POR EL TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS USANDO CELDAS DE COMBUSTIBLE
BACTERIANO (MFCs) COMO POSIBLE ABONO AGRICOLA
Trabajo de Investigación presentado como requisito previo para la obtención del título
de: Químico
Autor: Santiago Rea H.
Tutor: MSc. Raúl Bahamonde
Quito, Julio 2017
i
DEDICATORIA
Principalmente quiero dedicar este trabajo a Dios, por ser la luz en mi camino, por
darme la bendición de la vida y el privilegio de culminar esta etapa de formación
académica.
A mi familia, quienes a largo de esta etapa me han apoyado en cada decisión y ayudan
diariamente a desarrollarme íntegramente. Los quiero mucho.
ii
AGRADECIMIENTOS
Gratitud a nuestro Dios todopoderoso, en Él he encontrado paz, refugio y sostén.
A mí querida familia, por el amor, consejo y paciencia en todos estos años de formación
académica.
A la querida Universidad Central del Ecuador, principalmente a la carrera de Química,
que me ha enseñado en todos estos años a desarrollarme íntegramente.
A mi tutor MsC. Raúl Bahamonde por haberme dado la oportunidad de formar parte de
su grupo de investigación en el Laboratorio de Energías Renovables y brindarme su
amistad, sus conocimientos y sus consejos.
A mis entrañables amigos que a lo largo de estos años he cosechado, por su tiempo
compartido, sus consejos y cariño que siento no merecerlo.
iii
iv
v
vi
LUGAR DONDE SE REALIZÓ LA INVESTIGACIÓN
Esta investigación se realizó en el Laboratorio de Investigación en Energías Renovables
de la Universidad Central del Ecuador, Dirección de Investigación y Postgrado, Gaspar
de Carvajal S/N Clda. Universitaria, Quito, Ecuador.
vii
INDICE DE CONTENIDOS
1. El PROBLEMA .................................................................................................................... 2
1.1. Planteamiento del problema .......................................................................................... 2
1.2. Formulación del problema ............................................................................................ 3
1.2.1. Preguntas directrices ............................................................................................. 3
1.3. Objetivos ....................................................................................................................... 3
1.3.1. Objetivo General ................................................................................................... 3
1.3.2. Objetivos Específicos ............................................................................................ 4
1.4. Justificación e importancia de la investigación ............................................................. 4
2. FUNDAMENTACION TEORICA ........................................................................................... 6
2.1. Antecedentes ...................................................................................................................... 6
2.1.1 Origen de las MFCs ...................................................................................................... 6
2.1.2 MFCs aplicadas al tratamiento de Aguas Residuales Domésticas ............................... 7
2.1.3 Biomasa Generada en el Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas. .................... 7
2.2. Fundamentación Teórica .................................................................................................... 8
2.2.1 El agua .......................................................................................................................... 8
2.2.1.1. Contaminación Acuática ...................................................................................... 9
2.2.1.2. Aguas Residuales ............................................................................................... 10
2.2.1.3. Aguas Residuales Domésticas (ARDs) .............................................................. 10
2.2.1.4. Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas................................................... 10
2.2.2 Celdas de Combustible Bacteriano (MFCs) ............................................................... 11
2.2.2.1. Funcionamiento de las MFCs ............................................................................. 12
2.2.2.2 Evaluación de las MFCs ...................................................................................... 13
2.2.3 Biomasa Microbiana. ................................................................................................. 14
2.2.4 El Agro. ...................................................................................................................... 15
2.2.4.1. Fertilizantes ........................................................................................................ 16
2.2.4.2. Abonos. .............................................................................................................. 17
2.3. Fundamento legal ............................................................................................................. 18
2.3.1 Políticas básicas ambientales del Ecuador ................................................................. 18
2.4. Preguntas de hipótesis ...................................................................................................... 18
2.4.1 Hipótesis de trabajo Hi. .............................................................................................. 18
2.4.2 Hipótesis Nula Ho. ..................................................................................................... 18
CAPÍTULO III ............................................................................................................................ 19
3. METODOLOGÍA ................................................................................................................... 19
3.1. Diseño de la investigación (Enfoque, Nivel y Tipos).................................................. 19
3.2. Población y muestra .................................................................................................... 19
viii
3.3. Métodos, materiales y reactivos .................................................................................. 20
3.4. Diseño Experimental ................................................................................................... 21
3.5. Procedimientos ............................................................................................................ 22
3.5.1 Preparación de Electrodos. ......................................................................................... 22
3.5.2 Preparación de Inóculos y Crecimiento del Biofilm. ................................................. 23
3.5.3 Preparación de combustible de celda (Agua Residual Doméstica). ........................... 24
3.5.4 Ensamblaje de las MFCs ............................................................................................ 24
3.5.5 Evaluación de las MFCs. ............................................................................................ 25
3.5.6.1 Voltaje a circuito cerrado .................................................................................... 25
3.5.6.2 Curvas de polarización (eficiencia coulúmbica) ................................................. 25
3.5.6.3 Degradación de las ARDs ................................................................................... 25
3.5.7 Recolección y cuantificación de la biomasa microbiana. ........................................... 26
3.5.8 Evaluación del contenido de macronutrientes de la Biomasa Microbiana. ................ 27
3.5.8.1 Cuantificación de Nitrógeno ............................................................................... 27
3.5.8.2 Cuantificación de Fósforo ................................................................................... 27
3.5.8.3 Cuantificación de Potasio .................................................................................... 28
3.6. Técnica de Recolección de Datos. ............................................................................... 28
3.6.1 Validación del método DQO ...................................................................................... 28
3.6.1.1 Curva de calibración del método DQO ............................................................... 29
CAPITULO IV ............................................................................................................................ 30
4. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS ............................................................... 30
4.1 PRIMERA ETAPA ........................................................................................................... 30
4.1.1 Evaluación de MFCs con Ni-Ti como tipo de conexión. ........................................... 30
4.1.1.1 Voltaje a Circuito Cerrado. ................................................................................. 30
4.1.1.2 Curvas de polarización ........................................................................................ 32
4.1.1.3 Degradación de las ARDs ................................................................................... 37
4.1.1.4 Eficiencia Coulúmbica Ni-Ti ............................................................................. 38
4.1.2 Evaluación de MFCs con COBRE como tipo de conexión. ....................................... 39
4.1.2.1 Voltaje a Circuito Cerrado. ................................................................................. 39
4.1.2.2 Curvas de polarización. ....................................................................................... 40
4.1.2.3 Degradación de las ARDs ................................................................................... 43
4.1.2.5 Eficiencia Coulúmbica Cobre ............................................................................ 44
4.1.3 Análisis y comparación de la degradación de ARDs usando MFCs .......................... 45
4.1.4 Análisis y comparación de la Eficiencia Coulúmbica de ARDs usando MFCs ......... 47
4.2 SEGUNDA ETAPA .......................................................................................................... 48
4.2.1 Cuantificación de la Biomasa Microbiana. ................................................................ 48
4.2.2 Cuantificación de macronutrientes (N, P y K). .......................................................... 50
ix
CAPITULO V ............................................................................................................................. 52
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................. 52
5.1 Conclusiones ..................................................................................................................... 52
5.2 Recomendaciones .............................................................................................................. 53
Bibliografía ................................................................................................................................. 54
INDICE DE ANEXOS
Anexo A Esquema Causa-Efecto ............................................................................................... 56
Anexo B Diagrama de flujo (Parte Exeprimental). ..................................................................... 57
Anexo C Instrumento de Recolección de Datos .......................................................................... 59
Anexo D Validacion de DQO ..................................................................................................... 60
Anexo E Tablas de Polarización. ................................................................................................ 62
Anexo F Curvas de Polarización ................................................................................................. 74
Anexo G Analisis Medio Ambiental de las ARDs de Ubillus ................................................... 80
INDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Esquema original de la celda utilizada en los experimentos de Potter. ...................... 6 Figura 2.2 Esquema de una Celda de Combustible Microbiano. ............................................... 12
Figura 2.3 Regiones Características de una curva de polarización. ........................................... 14
Figura 3.1 División parroquial del Distrito Metropolitano de Quito ......................................... 20
Figura 3.2 Preparación de electrodos de grafito. ........................................................................ 23 Figura 3.3 (a) Formación del biofilm en el electrodo de grafito (b) Medio de cultivo BHI al
cabo del proceso de inoculación .......................................................................................... 23
Figura 3.4 MFCs clásicas armadas en el Laboratorio ................................................................ 24
Figura 3.5 Medición de voltaje a circuito cerrado de una MFC................................................. 25 Figura 3.6 Medición espectrofotométrica de DQO .................................................................... 26
Figura 3.7 Generación de biomasa microbiana en la superficie de las MFCs ........................... 27
Figura 4.1 Generación de bioelectricidad usando Ni-Ti a DQO Alto ........................................ 31
Figura 4.2 Generación de bioelectricidad usando Ni-Ti a DQO Bajo ....................................... 31 Figura 4.3 Curva de polarización, muestra 2, día 1, Ni-Ti a DQO Alto .................................... 33
Figura 4.4 Curva de (a) potencial vs densidad de corriente, (b) densidad de potencia vs
densidad de corriente); muestra 2, Ni-Ti a DQO Alto. ....................................................... 34
Figura 4.5 Curva de (a) potencial vs densidad de corriente, (b) densidad de potencia vs
densidad de corriente); muestra 1, Ni-Ti a DQO Bajo. ....................................................... 36
Figura 4.6 Remoción de contaminantes usando Ni-Ti (a) DQO Alto, (b) DQO Bajo .............. 38
Figura 4.7 Porcentaje de eficiencia coulúmbica usando Ni-Ti a DQO Alto y DQO Bajo. ........ 39
Figura 4.8 Generación de bioelectricidad usando conexión de Cobre ....................................... 40 Figura 4.9 Curva de polarización (potencial vs densidad de corriente), muestra 1, Cobre a
DQO Alto. ........................................................................................................................... 42
Figura 4.10 Remoción de contaminantes usando Cobre (a) DQO Alto, (b) DQO Bajo ........... 44
Figura 4.11 Porcentaje de eficiencia coulúmbica usando Ni-Ti a DQO Alto y DQO Bajo. ...... 45 Figura 4.12 Diagrama de Pareto para la degradación de ARDs usando MFCs. ........................ 46
x
Figura 4.13 Diagrama de efectos principales para la degradación de ARDs usando MFCs. ..... 46
Figura 4.14 Diagrama de Pareto para el porcentaje de eficiencia coulúmbica de ARDs usando
MFCs ................................................................................................................................... 47
Figura 4.15 Diagrama de efectos principales para la eficiencia coulúmbica de ARDs usando
MFCs. .................................................................................................................................. 47
Figura 4.16 Gráfica de barras de la concentración (ppmˈs) de biomasa generada usando MFCs.
............................................................................................................................................. 49
INDICE DE TABLAS
Tabla 1-1 Composición típica de las Aguas Residuales Domésticas (ARDs). ............................ 3
Tabla 2-1 Densidades de biomasa en los electrodos de ánodo MFC en aguas residuales y
medios de crecimiento en variadas resistencias externas y las temperaturas. ....................... 8
Tabla 2-2 Usos del agua de acuerdo con la contaminación del agua. .......................................... 9
Tabla 2-3 Tecnologías Avanzadas de Oxidación ....................................................................... 11
Tabla 3-1 Matriz de Operacionalización de variables. ............................................................... 22
Tabla 4-1 Voltajes a circuito cerrado usando Ni-Ti ................................................................... 30
Tabla 4-2 Curva de polarización muestra 2, día 1 usando Ni-Ti a DQO Alto, área del ánodo. . 32
Tabla 4-3 Curva de polarización muestra 1, 2 y 3, usando Ni-Ti a DQO Alto. ......................... 33
Tabla 4-4 Promedio de producción de electricidad, usando Ni-Ti a DQO Alto. ....................... 35
Tabla 4-5 Curva de polarización muestra 1, 2 y 3, usando Ni-Ti a DQO Bajo. ......................... 35
Tabla 4-6 Promedio de producción de electricidad, usando Ni-Ti a DQO Bajo. ....................... 36
Tabla 4-7 Degradación de ARDs usando Ni-Ti ......................................................................... 37
Tabla 4-8 Porcentaje de degradación de ARDs usando Ni-Ti ................................................... 37
Tabla 4-9 Porcentaje de degradación promedio de ARDs usando Ni-Ti. .................................. 38
Tabla 4-10 Voltajes a circuito cerrado usando Cobre. ............................................................... 39
Tabla 4-11 Potencia máxima, intensidad de corriente y resistencias usando Cobre .................. 41
Tabla 4-12 Promedio de producción de electricidad, usando cobre a DQO Alto y Bajo. .......... 42
Tabla 4-12 Degradación de ARDs usando Cobre. ..................................................................... 43
Tabla 4-13 Porcentaje de degradación de ARDs usando Cobre ................................................. 43
Tabla 4-14 Porcentaje de eficiencia coulúmbica de ARDs usando Cobre ................................. 44
Tabla 4-15 Biomasa Generada expresada en (mg Biomasa/L ARDs) usando MFCs. ............... 48
Tabla 4-16 Prueba de múltiples rangos de la concentración de biomasa generada. ................... 49
Tabla 4-16 Promedio de la cuantificación de N, P y K expresado en unidades en mg
macronutrientes/kg biomasa usando MFCs. ....................................................................... 50
Tabla 4-17 Porcentaje promedio de la cuantificación de N, P y K expresado en unidades % N,
% P2O5, % K2O. ................................................................................................................. 51
xi
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
CARRERA DE QUIMICA
Título: “Evaluación de la Biomasa producida por el tratamiento de Aguas Residuales
Domésticas usando Celdas de Combustible Bacteriano (MFCs) como posible abono
agrícola”
Autor: Santiago Rea H.
Tutor: MSc. Raúl Bahamonde
RESUMEN
Los volúmenes de Agua Residual Doméstica (ARDs) a nivel mundial tienen datos
alarmantes, aunado a esto el tratamiento de estas es costoso y en su mayoría no genera
subproductos utilizables. Entre las nuevas tecnologías para el tratamiento de estas aguas
están las Celdas de Combustible Microbianas (MFCs) que tienen la capacidad de
producir electricidad como subproducto del proceso de tratamiento y a su vez dicho
proceso genera biomasa microbiana. En esta investigación se estudió el comportamiento
de degradación de las ARDs utilizando variaciones en la arquitectura de la celda (MFC)
como conexiones de Ni-Ti (níquel-titanio) y Cobre, obteniéndose un porcentaje
promedio de remoción de contaminantes (remoción de DQO) de 77% en DQO alto
(iniciando con una concentración inicial de descarga de DQO de 778 mg/L) y de
44,58% en DQO bajo (iniciando con una concentración inicial de descarga de DQO de
371,23 mg/L); una eficiencia coulúmbica de 34,25% usando DQO/Bajo y Cobre;
24,388 mW/m2 en densidad de potencia usando DQO/Alto y Ni-Ti. Se evaluó la
biomasa generada en el proceso de tratamiento de las ARDs obteniéndose una
concentración promedio de 317,33 mg/L de biomasa generada usando DQO/Alto y Ni-
Ti y de 284 mg/L usando DQO/Bajo y Ni-Ti. En la biomasa se evaluó el contenido de
macroelementos necesarios en el suelo para mejorar la calidad del cultivo. El contenido
de nitrógeno fue de 352,38 mg N/kg de biomasa, de fósforo 32982,68 mg P/kg de
biomasa y para potasio 8506,70 mg K/kg de biomasa; de acuerdo al contenido de N,P y
K de la biomasa se la podría usar como posible aditivo de abono agrícola.
Palabras Claves: POTENCIAL, CELDA, BIOMASA MICROBIANA,
MACRONUTRIENTES.
xii
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
CARRERA DE QUIMICA
Título: “Evaluación de la Biomasa producida por el tratamiento de Aguas Residuales
Domésticas usando Celdas de Combustible Bacteriano (MFCs) como posible abono
agrícola”
Autor: Santiago Rea H.
Tutor: MSc. Raúl Bahamonde
ABSTRACT
The volumes of Domestic Residual Water (ARDs) at world level have alarming data, in
addition the treatment of these is expensive and mostly does not generate usable
byproducts. Among the new technologies for the treatment of these waters are
Microbial Fuel Cells (MFCs) that have the capacity to produce electricity as a
byproduct of the treatment process and in turn this process generates microbial biomass.
In this research the degradation behavior of the ARDs was studied using variations in
the cell architecture (MFC) as Ni-Ti (nickel-titanium) and Copper connections,
obtaining an average percentage of pollutant removal (removal of COD) (Starting with
an initial COD discharge of 778 mg / L) and of 44.58% in low COD (starting with an
initial COD discharge concentration of 371.23 mg / L); A coulúmbic efficiency of
34.25% using COD / Low and Copper; 24.388 mW / m2 in power density using COD /
High and Ni-Ti. The biomass generated in the treatment process of the ARDs was
obtained obtaining an average concentration of 317.33 mg / L of biomass generated
using COD / High and Ni-Ti and of 284 mg / L using COD / Low and Ni-Ti. In the
biomass the content of macroelements necessary in the soil was evaluated to improve
the quality of the crop. Nitrogen content was 352.38 mg N / kg biomass, phosphorus
32982.68 mg P / kg biomass and potassium 8506.70 mg K / kg biomass; According to
the N, P and K contents of the biomass could be used as a possible agricultural fertilizer
additive.
Key Words: POTENTIAL, CELL, MICROBIAL BIOMASS, MACRONUTRIENTS.
1
INTRODUCCIÓN
El agro siempre ha sido un tema de interés en el Ecuador, por esta razón se ha buscado
continuamente mejorar la calidad del agua de riego, tipo de suelo y por ende de los
cultivos, una de las formas más efectivas que se utilizan en la actualidad para desarrollar
el agro son el uso de los abonos (biofertilizante), estos aportan al suelo una cantidad
necesaria de nutrientes que son aprovechados en la siembra. Por otro lado uno de los
limitantes más importantes que evitan el desarrollo del agro son las (aguas residuales
domésticas) ARDs, estas aguas son descargadas directamente a los efluentes naturales
sin un tratamiento previo, contaminando así a cultivos enteros que son irrigados con
dichas aguas. En los últimos años se ha desarrollado una nueva tecnología de
tratamiento de aguas residuales llamada Celdas de Combustible Microbiano (MFCs)
(Logan, 2008), esta tecnología genera electricidad mediante la oxidación de la materia
orgánica de las ARDs usando bacterias electrogénicas (Geobacter spp, E. Coli, entre
otras) (P. Aelterman, 2006), además de generar energía eléctrica las MFCs también
generan biomasa microbiana como subproducto del tratamiento de ARDs; a esta
biomasa microbiana se evaluó y cuantificó nitrógeno, fósforo y potasio.
La presente investigación consta de los siguientes capítulos:
Capítulo I: Se aborda la problemática que tiene el agro en el Ecuador, los efectos que
generan el agua residual doméstica que no es tratada, la formulación del problema,
preguntas directrices, objetivos general y específicos, importancia y justificación de la
investigación.
Capitulo II: Se hace mención sobre los antecedentes del problema en el que se da a
conocer estudios análogos al problema planteado, ampliándose con la fundamentación
teórica, fundamentación legal, hipótesis de trabajo, hipótesis nula, conceptualización de
las variables, dependiente, independiente e interviniente.
Capitulo III: Trata sobre el diseño de la investigación, población y muestra, métodos y
materiales, matriz de operacionalización de variables, procedimientos, técnicas e
instrumentos de recolección y procesamiento de datos, técnicas de procesamiento de
datos.
Capítulo IV: Está comprendido por el análisis y discusión de resultados obtenidos en la
presente investigación
Capítulo V: Trata como parte final las conclusiones y recomendaciones del presente
trabajo de investigación
Se incluye la bibliografía y anexos.
2
CAPITULO I
1. El PROBLEMA
1.1. Planteamiento del problema
La agricultura como actividad es una práctica que ha trascendido generaciones, además
de ser la actividad más antigua de economía primaria, se estima que alrededor de la
tercera parte de la superficie terrestre se dedica a la agricultura, ganadería o silvicultura
(Domingo, 2008). En el Ecuador se dedica aproximadamente 12,5 millones de hectáreas
a la agricultura de su territorio total de 28,3 millones de hectáreas de las cuales, las
provincias con mayor área de siembra son Manabí, Guayas, Loja, Los Ríos y
Esmeraldas principalmente; obteniéndose la mayor cantidad de productos de cultivo
principalmente en banano, cacao, maíz, papa, arroz; siendo la agricultura uno de los
mayores ingresos económicos que tiene el Ecuador en la actualidad (INEC, 2015).
Gracias a esto, en el Ecuador siempre se ha tenido la necesidad de potencializar la
calidad del suelo, del agua de riego y por ende de los cultivos, mejorando así la calidad
del producto al consumidor, por lo cual se ha tomado en cuenta dos aspectos
fundamentales, el agro y el agua de riego.
Con respecto al agro, se ha buscado la manera de optimizar y mejorar la calidad del
suelo utilizando abonos orgánicos, inorgánicos, fertilizantes y mejorando la calidad de
humus, esto ha dado como resultado un suelo rico en macronutrientes como lo son: el
nitrógeno, fosforo y potasio que benefician considerablemente al crecimiento de las
plantas. (Sposito, 2008).
Con respecto al agua, se estima que en el planeta el 97,5% de agua es salada, solo el
2,5% es dulce y solo el 1% de agua dulce está disponible para el desarrollo económico y
el bienestar social (Llanos, 2015), aunque la irrigación para fines agrícolas representa
apenas el 10% del agua dulce existente en el planeta, ésta es la actividad de mayor
consumo de agua dulce del planeta. (Fao y Fida, 2001); el agua de riego se obtiene
principalmente de ríos, lagos o corrientes continuas de agua naturales, de pozos, por
procesos de desalinización del agua del mar, entre otros. En general la agricultura usa el
65% de toda el agua captada de los ríos, lagos y acuíferos. (Llanos, 2015)
Por otra parte, otro porcentaje de agua dulce es destinado a ARDs que son “aquellas
generadas en viviendas, lugares comerciales o públicos caracterizadas por la presencia
de heces fecales y restos de moléculas producto de actividades de limpieza”.
(Zambrano, 2004). Tal es el impacto que causa este tipo de ARDs que se conoce que en
su mayor parte son desechadas directamente a efluentes naturales (ríos, lagos) sin pasar
por un tratamiento previo, la composición de este tipo de aguas residuales se presenta en
la Tabla 1.1. La concentración de DQO (Demanda Química de Oxígeno) de las ARDs
oscilan entre 250 mg/L hasta 1000 mg/L, esta concentración debe ser reducida
considerablemente para poder ser desechada en algún efluente natural. (Cajigas, 1985).
3
Tabla 1-1 1Composición típica de las Aguas Residuales Domésticas (ARDs).
Contaminantes Concentración
(Debil) [mg/L]
Concentración
(Media) [mg/L]
Concentración
(Fuerte) [mg/L]
Sólidos Totales 350 720 1200
Sólidos en
Suspensión 100 220 350
Sólidos
sedimentables 5 10 20
DQO 250 500 1000
DBO 110 220 400
Adaptado de: Angel Cajigas. (1985). Ingeniería de Aguas Residuales; Tratamiento, Vertido y
Reutilización.
Esta agua se utiliza directamente para irrigar los cultivos sin un tratamiento previo que,
además de contaminar el agro, contamina las fuentes naturales. Existen nuevas
tecnologías en el tratamiento de aguas residuales llamadas Celdas de combustible
Microbiano (MFCs), estas celdas generan bioelectricidad a partir de oxidar la materia
orgánica presente en las aguas residuales. En el presente estudio se pretende tratar
ARDs, evaluar su comportamiento de degradación y al mismo tiempo evaluar el
contenido de nitrógeno, fósforo y potasio de la biomasa generada en el tratamiento de
ARDs utilizando MFCs.
1.2. Formulación del problema
¿Es posible utilizar como abono agrícola la biomasa generada como subproducto del
tratamiento de ARDs utilizando Celdas de Combustible Microbianas (MFCs)?
1.2.1. Preguntas directrices
¿La materia orgánica proveniente de las aguas residuales domesticas podría
generar biomasa aplicable para usarla como abono agrícola?
¿Cuánta biomasa se puede generar a partir del tratamiento de aguas residuales
domésticas?
¿Es posible cuantificar la biomasa producida por las MFCs, como posible abono
para los cultivos?
¿Cuánta cantidad de macronutrientes podría tener esta biomasa para ser utilizada
como abono agrícola?
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Evaluar el uso posible como abono agrícola de la biomasa generada en el
tratamiento de ARDs utilizando Celdas de Combustible Microbianas (MFCs).
4
1.3.2. Objetivos Específicos
Evaluar el comportamiento de degradación de las Aguas Residuales
Domésticas usando MFCs.
Evaluar la eficiencia de las MFCs.
Extraer y caracterizar la biomasa generada por las MFCs.
Evaluar los macronutrientes de la biomasa producida por MFCs,
mediante técnicas analíticas y/o instrumentales como técnicas
gravimétricas y espectrofotometría de absorción atómica de llama, entre
otras
1.4. Justificación e importancia de la investigación
A nivel nacional la agricultura es una actividad fundamental para el desarrollo del país,
los productos con mayor demanda son: banano, flores y cacao, estos productos son
exportados hacia países europeos teniendo gran aceptación y acogida gracias a su
calidad. (INEC, 2015). La agricultura necesita principalmente de dos factores: uno de
estos son los nutrientes para que el suelo sea más eficaz y también el agua de riego que
aumenta su capacidad de aprovechar macroelementos, microelementos y minerales.
(Sposito, 2008). Se calcula que la agricultura usa el 65% de toda el agua captada de los
ríos, lagos y acuíferos; es decir las aguas de los ríos, lagos sirven como fuente primaria
para la calidad del cultivo, se debe tomar en cuenta que estas aguas de ríos, lagos,
acuíferos en la actualidad ya están contaminadas con ARDs, e industriales (Rio
Machángara, Rio Monjas, Rio Grande, entre otros) que son desechadas sin un previo
tratamiento, especialmente las ARDs que en su mayoria en el Ecuador tienen como fin
los ríos, lagos y acuíferos cercanos. (Puente, 2015).
Por varios años se ha buscado la manera de poder tratar ARDs a un bajo costo ya que la
construcción y mantenimiento de una planta de tratamiento de agua bordea los 700
millones de dólares al tratar aproximadamente 7000 L/segundo, siendo este uno de los
limitantes a la hora de tratar aguas residuales, es por esta razón que estas son eliminadas
sin un tratamiento previo, dando como resultado la contaminación del agua de lagos,
ríos y una mala calidad de agua no apta para reutilizarla en ninguna actividad. (Puente,
2015).
Además, en el agro ecuatoriano también se invierte una gran cantidad de dinero que está
5
destinado a la compra de abono agrícola; la superficie dedicada al agro en el Ecuador
trasciende a 12,5 millones de hectáreas, haciendo un promedio aproximado de un costo
15 dólares/quintal de abono agrícola (Proveedores Locales) y que existe un rendimiento
de 1 quintal/hectárea (Proveedores Locales) se gasta aproximadamente 180 millones de
dólares anuales en abono agrícola en el Ecuador. Por lo tanto se percibe la necesidad de
buscar alternativas para optimizar la calidad del suelo brindando los macronutrientes
necesarios a un costo bajo y teniendo resultados óptimos para el desarrollo del agro
ecuatoriano.
No existen estudios previos en el que la evaluación de biomasa generada en el
tratamiento de ARDs usando MFCs pueda ser aplicable como posible abono agrícola,
por lo cual; el presente estudio pretende tratar ARDs, producir una corriente eléctrica
gracias a la oxidación de la materia orgánica, generar biomasa y evaluar los principales
macronutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio) de esta biomasa para que pueda ser
aplicable como posible abono agrícola.
6
CAPITULO II
2. FUNDAMENTACION TEORICA
2.1. Antecedentes
2.1.1 Origen de las MFCs
El primer trabajo que da origen al desarrollo de las MFCs se atribuye a Michael Cresse
Potter con su artículo titulado: “Efectos Eléctricos que acompañan a la descomposición
de compuestos orgánicos” presentado para la “Royal Society” en 1911. Potter realizó
experimentos utilizando diferentes concentraciones de azúcar y distintos
microorganismos como Bacillus coli (hoy conocido como E. coli) y Saccharomyces
cerevisiae en una celda (Fig 2.1) construida con una jarra de vidrio dentro de la cual se
colocaba un cilindro poroso, donde, después de su debida esterilización era cargada con
un fluido nutritivo y posterior inoculación con el microorganismo de estudio. Todos los
experimentos fueron evaluados con pequeños electrodos de platino que fueron soldados
con plata a un alambre de cobre, para así evitar utilizar grandes cantidades de alambre
de platino. Los cables de los electrodos fueron conectados a un condensador de 1μF y
este se descargaba a través de un galvanómetro por medio de un telégrafo. Este último
arreglo fue un sugerido por H. Morris Airey, para eliminar la resistencia del circuito. La
celda utilizada por Potter, lograba potenciales máximos cercanos a 0.32V en las mejores
condiciones obtenidas experimentalmente.
Figura 2.1 Esquema original de la celda utilizada en los experimentos de Potter.
(Potter, 1911)
7
Los datos del experimento de Potter muestran la generación de un potencial en la celda
a temperaturas de incubación (25-37°C), mas no así a 0°C donde si bien las levaduras
no están muertas, estas se encuentra en un estado de mínima actividad metabólica sin
generar variaciones de potencial, así mismo, cuando la levadura es llevada a 50°C no se
registra ningún efecto eléctrico aunque esta sea nuevamente acondicionada a 25°C
indicando que las levaduras fueron destruidas. Por lo que se concluye que el potencial
generado en la celda creada por Plotter se debe a acción fermentativa de los
microorganismos.
2.1.2 MFCs aplicadas al tratamiento de Aguas Residuales Domésticas
Una de las primeras investigaciones fue realizada por (P. Aelterman, 2006) en donde
usando Celdas de combustible microbiano evalúa agua residual doméstica, como
resultados obtiene un porcentaje de eficiencia coulúmbica del 20%, una densidad de
potencia de (3,7 ± 0,02) W/m2, usando como cátodo Pt/C y manejando temperatura
ambiente en cada uno de sus experimentos; posteriormente (Youngho Ahn, 2009)
examina el comportamiento de aguas residuales domésticas a diferentes temperaturas,
siendo la temperatura uno de los parámetros fundamentales para la eficiencia del
tratamiento y la densidad de potencia generada por la celda, obteniendo 422 mW/m2 a
una temperatura de 23 °C (temperatura ambiental) y un porcentaje de remoción de
DQO de 25,8%, este modelo usado por (Youngho Ahn, 2009) utiliza una celda de
cámara única con el cátodo al aire y usando escobillas de fibra de grafito previamente
tratado con amoniaco, además de usar hilos de titanio con fibras de grafito en el ánodo.
2.1.3 Biomasa Generada en el Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas.
Uno de los estudios realizados recientemente por (Na Li R. K., 2016) muestra el
crecimiento bacteriano en el ánodo usando MFCs a diferentes resistencias y diferentes
temperaturas, este estudio lo realiza usando aguas residuales domésticas, en la tabla 2.1
se muestran los resultados obtenidos, en donde cuantifica proteínas de la biomasa
microbiana producida en el tratamiento de aguas residuales domésticas mediante un
método de ensayo de proteínas para el cálculo exacto de la biomasa activa, este método
es descrito por (Na Li R. K., 2015) en donde usa ácido bicinconínico (BCA) y en donde
la degradación del agua residual domestica durante el crecimiento microbiano se obtuvo
mediante demanda química de oxigeno soluble (SCOD) y el rendimiento de biomasa
generada fue calculado sobre la base de la proteína y SCOD.
8
Tabla 2-12 Densidades de biomasa en los electrodos de ánodo MFC en aguas residuales y
medios de crecimiento en variadas resistencias externas y las temperaturas.
Fuente: (Na Li R. K., 2016) “Efecto de factores influyentes sobre el crecimiento microbiano y la
correlación entre la generación actual y la biomasa en una célula de combustible microbiana de cátodo
de aire” (pag. 20609). International Journal of hidrogen energy.
El mayor crecimiento de la biomasa en relación al tiempo y la eliminación del sustrato
(aguas residuales domésticas) usando MFCs se dá al aplicar una resistencia de 300 Ω,
claramente indicando que la resistencia interna del sistema y la resistencia aplicada
estaban en el mismo plano.
2.2. Fundamentación Teórica
2.2.1 El agua
“El agua es esencial para la vida, pero para muchos millones de personas en todo el
mundo es un recurso escaso; por eso luchan diariamente para conseguir agua apta
para el consumo y para atender a sus necesidades básicas. Millones de niños siguen
muriendo todos los años a causa de enfermedades transmitidas por el agua que se
pueden prevenir.” (Secretaría de ONU-Agua, Departamento de Asuntos Económicos y
Sociales de las Naciones Unidas, Division de Desarrollo Sostenible, 2005).
El agua además de ser esencial para la vida es quizá la mejor herramienta que utiliza el
ser humano para generar fuentes de riqueza, por lo que el incremento de la oferta de
agua ha conducido a que además de generar un impulso económico importante se
Variables Crecimiento de la
biomasa/Sustrato removido
(mg proteína/(g -DQO.cm2))
Crecimiento de la
biomasa/tiempo
(mg proteína/(hr.cm2))
Temperatura
(°C)
Resistencia
aplicada (Ω)
Aguas
Residuales
Crecimiento
Medio
Aguas
Residuales
Crecimiento
Medio
30 Circuito
Abierto
0.129 0.005 (0.205)x 10-4
(0.006±0.009) x
10-4
30 100 0.318±0.007 0.402±0.051 (0.598±0.014)
x 10-4
(1.074±0.138) x
10-4
30 300 0.298±0.016 0.443±0.034 (0.600±0.034)
x 10-4
(1.307±0.101) x
10-4
30 1000 0.296±0.007 0.612±0.031 (0.501±0.013)
x 10-4
(0.739±0.038) x
10-4
20 1000 0.254±0.010 0.308±0.016 (0.697±0.030)
x 10-4
(1.275±0.065) x
10-4
30 1000 0.457 0.538±0.006 (0.761) x 10-4
(0.847±0.011) x
10-4
35 1000 0.275 0.507±0.013 (0.931) x 10-4
(0.839±0.022) x
10-4
9
genere mayor contaminación de las fuentes hídricas; se estima que en el planeta el
97,5% de agua es salada, solo el 2,5% es dulce y solo el 1% de agua dulce está
disponible para el desarrollo económico y el bienestar social (Llanos, 2015). El agua
contaminada es la principal causa de enfermedades en todo el mundo, se estima que
alrededor de 2 millones de personas, en donde la mayoria son niños mueren al año por
enfermedades transmitidas por el agua, como la diarrea, paludismo; estas enfermedades
se dan principalmente en países en vías de desarrollo. (Secretaría de ONU-Agua,
Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de las Naciones Unidas, Division de
Desarrollo Sostenible, 2005).
2.2.1.1. Contaminación Acuática
Las fuentes de agua (ríos, lagos, entre otros) aunque disponibles en mayor o menor
proporción han sido gradualmente contaminadas, en la antigüedad este problema causó
la muerte de ciudades enteras; a finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX se
empezó a implementar mecanismos para desinfectar el agua que se consumía. (Sierra,
2004).
Otro de los problemas que se estudia respecto al agua es su toxicología acuática, debido
a su ciclo natural es de esperarse que el agua pueda llegar a tener algún contacto con
numerosas sustancias químicas, se denominan “tóxicas” cuando en una determinada
concentracion y tiempo de exposición llegan a producir algún efecto adverso a la
especie humana o al ecosistema (biota acuática); en general existen dos vías en las que
este problema puede llegar a afectar a los humanos:
A) Por vía oral, ingestión directa del sistema de abastecimiento de agua.
B) A través del consumo de alimentos acuáticos contaminados, estos pueden ser
peces, mariscos, etc) o de alimentos que usan en su elaboración a organismos
acuáticos. (Sierra, 2004)
Gracias al incremento de la población, se han aumentado las exigencias con respecto a
la calidad de agua; es de esperar que con el pasar del tiempo las necesidades del agua
pasen de simplemente consumo e higiene personal a tener hasta incidencia para la
generación nuclear. Afortunadamente la mayor proporción de agua utilizada en el
planeta es usada en agricultura y enfriamiento industrial siendo estos menos exigentes
en cuanto a su calidad. (Sierra, 2004). En la tabla 2-2 se hace referencia a la cantidad de
contaminantes que existe en las diferentes áreas en donde el agua es utilizada.
Tabla 2-2 3Usos del agua de acuerdo con la contaminación del agua.
Contaminantes Agua
Potable
Vida
Acuática
Recreación Riego Uso
Industrial
Energía y
Enfriamiento
Transporte
Patógenos Xx 0 Xx x xx1 Na Na
SST Xx Xx Xx x x x2 xx
2
Materia
Orgánica
Xx X Xx + xx4 X X
Algas X X Xx + xx4 X X
10
Nitratos Xx X Na + xx1 Na Na
Sales Xx Xx Na xx xx6 Na Na
Micro-
contaminantes
xx Xx X x ¿ Na Na
Acidificación X Xx X ¿ x X Na
xx Uso Altamente Afectado 1 Industrias Alimenticias
x Uso levemente Afectado 2 Abrasión
0 Sin Afectación 3 Sedimentación de canales
na No Aplica 4 Industrias electrónicas
+ Beneficio para el uso del agua 5 Incluye Boro, Fluoruros
¿ Efectos no entendidos 6 Ca, Fe, Mn en la industria Textil
Fuente: (Sierra, 2004) “Calidad del Agua, Evaluación y Diagnóstico”. (p. 116).
2.2.1.2. Aguas Residuales
Se define como aguas residuales a aquellas que proceden de haber utilizado un agua
natural, o de la red, en un uso determinado; cuando estas se desaguan se denominan
“vertidos” y se los puede clasificar en función:
A) Del uso prioritario u origen.
B) De su contenido en determinados contaminantes.
2.2.1.3. Aguas Residuales Domésticas (ARDs)
Son “aquellas generadas en viviendas, lugares comerciales o públicos caracterizadas
por la presencia de heces fecales y restos de moléculas producto de actividades de
limpieza”. (Zambrano, 2004).
Este tipo de aguas en pueblos y algunas ciudades no poseen una normativa establecida
con respecto a su desecho, por lo que son botadas directamente sin ningún tipo de
tratamiento a algún efluente natural, aumentando así la contaminación y calidad de vida
de las personas que viven y trabajan cerca de ríos y lagos. (Cajigas, 1985)
Los valores de DQO (Demanda Química de Oxigeno) oscilan entre 250 a 1000 mg/L
dándonos una idea de la excesiva cantidad de materia orgánica que poseen estas aguas y
el nivel de peligrosidad que causan también para el medio ambiente, siendo no aptas
para ningún tipo de uso hasta no ser limpiadas mediante algún tipo de tratamiento.
(Cajigas, 1985)
2.2.1.4. Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas
De manera general, existen tratamientos convencionales y no convencionales de Aguas
Residuales Domésticas, entre los tratamientos convencionales los procesos más
importantes son:
Pretratamiento
Cribado: Se emplea para la reducción de sólidos en suspensión de tamaños distintos.
11
Sedimentación: Se usa para separar los sólidos en suspensión en las mismas.
Tratamiento Físico-Químico
Coagulación: Se emplea para desestabilizar los coloides por neutralización de sus
cargas, dando lugar a la formación de un floculo. Principalmente se usa Sulfato de
Aluminio.
Floculación: Se trata la unión entre los flóculos ya formados con el fin aumentar su
volumen y peso de forma que se puedan decantar. (Cajigas, 1985)
Entre los tratamientos no convencionales tenemos los TAO´s (Tecnologias o Procesos
avanzados de oxidación), estos se basan en procesos fisicoquímicos capaces de
producir cambios profundos en la estructura química de los contaminantes que se
encuentran en las aguas residuales domésticas. Se los usa a pequeña y mediana escala,
en la siguiente tabla 2-3 se encuentran los más importantes. (Xavier Domènech, 2004)
Tabla 2-3 4Tecnologías Avanzadas de Oxidación
Tecnologías Avanzadas de Oxidación
Procesos no fotoquímicos Procesos Fotoquímicos
Ozonización en medio alcalino (O3/OH+) Oxidación en agua sub/y supercrítica.
Ozonización con peróxido de hidrógeno
(H2O2/OH+)
Procesos fotoquímicos
Procesos Fenton (Fe2+
/H2O2) Fotólisis del agua en el ultravioleta de vacío
(UVV)
Oxidación Electroquímica UV/Peróxido de hidrógeno
Radiólosis y tratamiento con haces de
electrones UV/O3
Plasma no término Foto-Fenton y relacionadas
Descarga electrohidráulica-Ultrasonido. Fotocatálisis heterogénea
Fuente: (Xavier Domènech, 2004) “Procesos Avanzados de Oxidación para la eliminación de
Contaminantes”. (p. 8) Colección Documentos Ciemat
2.2.2 Celdas de Combustible Bacteriano (MFCs)
Las celdas de combustible bacteriano surgen como una alternativa al tratamiento de
aguas residuales (domésticas, industriales, entre otras) ya que tienen la capacidad de
transformar la materia orgánica en otros productos como la energía eléctrica, además de
ser una tecnología nueva, su costo de implementación está muy por debajo de los típicos
tratamientos convencionales.
12
2.2.2.1. Funcionamiento de las MFCs
El principio de funcionamiento de las MFCs es muy similar a la de una celda galvánica,
en donde se genera energía eléctrica a partir de reacciones redox; la gran mayoria de las
MFCs (Fig 2.2) consisten en una cámara anaerobia conformada por el ánodo y una
cámara aerobia conformada por el cátodo, estas cámaras se separan por una membrana
de intercambio de protones (PEM); un biocatalizador activo (microorganismos) en el
ánodo oxida los sustratos orgánicos y produce electrones que se conducen al cátodo a
través de la PEM y los electrones son transportados a través de un circuito externo.
(Mostafa Rahimnejad, 2015).
Figura 2.2 Esquema de una Celda de Combustible Microbiano. Fuente”Celdas de Combustible
Microbianas (CCMs): Un Reto para la Remoción de Materia Orgánica y la Generación de Energía
Eléctrica” (Dolly M. Revelo, 2013)
Estos microorganismos son capaces de colonizar la superficie del Ánodo formando un
Biofilm o Biopelícula, entre los microorganismos más importantes que se usan en este
proyecto están: Geobacter Spp, un consorcio de bacterias (Mix de Bacterias) formadas
por la E. Coli y Pseudomona principalmente, este tipo de bacterias han sido usadas en
las aplicaciones de producción de Energía Eléctrica. (Mostafa Rahimnejad, 2015).
También se usan puentes salinos como membranas de intercambios de protones siendo
los más comunes los de KCl 1M y Agar-Agar 2 % (p/v); cabe recalcar que existen
muchas propuestas con respecto a la arquitectura de las MFCs, algunos modelos no
usan puente salino, y por ende cada modelo de celda en particular tendrá características
especiales en términos de: potencia de salida, eficiencia coulúmbica, estabilidad y vida
útil. El presente estudio usará Celdas de Combustible Microbiano (MFCs) clásicas, es
decir, se trabajará con material de laboratorio y se usará un puente salino de KCl 1M y
Agar-Agar 2%(p/v).
13
2.2.2.2 Evaluación de las MFCs
Uno de los objetivos principales al evaluar la MFC es la producción de potencia
eléctrica a partir de un sustrato dado (en nuestro caso Aguas Residuales Domésticas).
Para medir la cantidad de electrones almacenados en el sustrato como corriente eléctrica
se usa como parámetro la eficiencia coulúmbica (coulombic effienciency) que es
definida como la fracción (o porcentaje) de electrones recuperados como corriente
frente al total contenido en el sustrato de partida, así:
Esta relación puede ser relacionada con la corriente del sistema. Dado que, un amperio
está definido como la transferencia de un Coulomb de carga en un segundo, o 1A=1C/s.
Por lo tanto si integramos la corriente obtenida a través del tiempo obtenemos el total de
Coulombs obtenidos en nuestro sistema (Cheng, 2006). La eficiencia coulúmbica puede
ser calculada como:
∫
Dónde: c es el cambio de concentración del sustrato en el tiempo de funcionamiento o
ciclo del sistema (que por lo general va desde co, la concentración inicial de sustrato,
hasta su finalización o consumo total para sustrato definidos durante el tiempo tb, Ms es
el peso molecular del sustrato, F es la constante de Faraday, y van es el volumen del
líquido en la cámara anódica. Para sustratos complejos como el Agua Residual
Doméstica es más conveniente hacer uso de DQO para medir la concentración del
sustrato, entonces tenemos que:
∫
Donde 8 es una constante utilizada para DQO, basado en que para el peso
molecular del oxígeno y bes = 4 que son el número de electrones transferidos al sustrato
por mol de oxígeno. (Logan, 2008)
2.2.2.2.1 Curvas de Polarización.
Las curvas de polarización son usadas para caracterizar la corriente como una función
del voltaje, al cambiar la resistencia externa del circuito cambia el voltaje y por lo tanto
14
una nueva corriente a esa resistencia (Logan, 2008). Se usa una serie de resistencias en
el circuito, de cada resistencia se mide el voltaje.
Figura 2.3 Regiones Características de una curva de polarización. Fuente: “Producción de
Bioelectricidad a partir de suero lácteo en Celdas de Combustible Microbianas” (García, 2016)
Los primeros puntos de la curva de polarización (Fig 2.3) se pueden describir como la
pérdida de energías de activación (en forma de calor) para iniciar reacciones de óxido-
reducción. (Logan, 2008). La segunda porción de la curva de polarización debe sus
pérdidas de voltaje al metabolismo microbiano, estas pérdidas son interacción de las
bacterias con el sustrato. Y la tercera sección de la curva es donde se analizan las
pérdidas importantes de concentración y transferencia de masa, estas pérdidas surgen
cuando la disponibilidad o el flujo de reactivos son insuficientes y por lo tanto limitan la
velocidad de reacción. (Logan, 2008).
2.2.3 Biomasa Microbiana.
Se define a la biomasa microbiana como “El componente funcional de la Microbiota
del Suelo, responsable de la descomposición y reconversión de la materia orgánica y la
transformación de nutrientes”. (Witter, 1996). Aunque en términos generales se la
puede definir como la cantidad de células que se generan al oxidar un sustrato. (Parés,
1997).
La composición de la biomasa microbiana depende mucho del tipo de microrganismo,
aunque de manera general se compone de: 50% de carbono, 20% de oxígeno, 14% de
nitrógeno, 8% de hidrógeno, 3% de fósforo, 2% de potasio, 1% de azufre,
principalmente; es decir a partir de estos datos se puede decir que la Biomasa
Microbiana está formada de materia orgánica. (Parés, 1997)
La biomasa húmeda obtenida se pierde por secado a 105ºC de un 70 a un 90% de agua,
según el microorganismo y las condiciones de crecimiento; la biomasa microbiana tiene
15
en su composición principalmente proteínas (representan alrededor del 50% del peso
seco de las células), ácidos nucleicos, lípidos, hidratos de carbono. (Parés, 1997)
2.2.4 El Agro.
La agricultura como actividad comprende todo un conjunto de acciones humanas que
transforma el ambiente con el fin de hacerlo más apto para el crecimiento de las
siembras y además como actividad estratégica es fundamental para el desarrollo y
riqueza de las naciones. (Domingo, 2008)
Se la puede dividir según sus criterios de aplicación:
Según su dependencia de agua:
o Agricultura de Secado: Producida sin aporte de agua por parte del
agricultor, nutriéndose el suelo de la lluvia y/o aguas subterráneas.
(Domingo, 2008)
o Agricultura de Regadío: Se produce con aporte de agua por parte del
agricultor, esta agua suministrada es captada de superficies naturales o
artificiales, entre las más principales. (Domingo, 2008)
Según la magnitud de la producción y su relación con el mercado
o Agricultura de Subsistencia: Consiste en la producción de la cantidad
mínima de comida necesaria para cubrir las necesidades del agricultor y
su familia. (Domingo, 2008)
o Agricultura Industrial: Consiste en la producción de grandes
cantidades, utilizando costos medios de producción, para obtener
excedentes y comercializarlos (Domingo, 2008)
Según el Método y Objetivos
o Agricultura Tradicional: Utiliza los sistemas típicos de un lugar, en
periodos más o menos largos y prolongados. (Domingo, 2008)
o Agricultura Convencional o Moderna: Está enfocada en producir la
mayor cantidad de alimentos en menos tiempo y espacio. (Domingo,
2008)
16
o Agricultura Ecológica: Está enfocada en crear diversos sistemas de
producción que respetan las características ecológicas de los lugares
procurando respetar las estaciones. (Domingo, 2008)
2.2.4.1. Fertilizantes
El término fertilizante proviene del latín <<fertil>> que quiere decir “volver fértil”, en
general los fertilizantes proveen nutrientes que los cultivos necesitan, con los
fertilizantes mejorar la producción de alimentos y cultivos de mejor calidad. Y entre sus
propiedades principales, los fertilizantes mejoran la baja fertilidad del suelo. (Roma,
2002)
Los nutrientes que necesitan las plantas se toman del aire y del suelo; al absorber los
nutrientes necesarios los cultivos crecerán mejor y por ende producirán mayores
ingresos, en cambio si uno de los nutrientes es escaso se limita el crecimiento de la
planta y por consecuencia afecta su calidad. (Roma, 2002).
Los fertilizantes aportan en su composición con macronutrientes (nutrientes primarios)
y micronutrientes (nutrientes secundarios), estos se distinguen por la cantidad en la que
son utilizados en el Suelo, siendo los más importantes los macronutrientes nitrógeno,
fósforo y potasio. (Través, 1962).
A continuación se distinguen algunas de las propiedades más importantes de estos
elementos:
Nitrógeno: Es vital para la planta, es un energético estimulante de la actividad
vegetal, tiene un efecto bastante rápido. Retrasa la maduración de los tejidos,
alarga el ciclo vegetativo. Disminuye la resistencia mecánica de las plantas. La
forma más común de absorber nitrógeno es en forma de Nitrato. (Sposito, 2008)
Fosforo: Su deficiencia produce enanismo, como propiedad da a las plantas
mayor resistencia mecánica y a las enfermedades, regula la maduración de los
frutos, y mejora las características cualitativas de los productos agrícolas, la
forma de absorción por las plantas es como ion Fosfórico. (Través, 1962)
Potasio: Tiene influencia cuantitativa sobre la vida de los vegetales. Favorece a
la acumulación de los hidratos de carbono, influye también sobre la resistencia a
17
las enfermedades, la forma de absorción de las plantas es como catión de sus
sales solubles.
2.2.4.2. Abonos.
Se ha definido como abono a “toda sustancia que aporta al terreno elementos nutritivos
necesarios para los cultivos a través de procesos naturales” (Través, 1962) como por
ejemplo: la biodegradación del estiércol de vaca en el suelo, los abonos además de
enriquecer el terreno de elementos nutritivos determinan las modificaciones químicas o
físicas del suelo. (Través, 1962).
Se los puede clasificar en Abonos Orgánicos y Abonos Minerales.
Entre los principales Abonos Orgánicos tenemos: El estiércol de establo, las barreduras,
los escombros, materias vegetales diversas, entre otras.
Con respecto a los Abonos Minerales tenemos: Abonos Minerales Nitrogenados
(Sulfato Amónico, los nitratos), Abonos Minerales Fosfáticos (Perfosfato Mineral),
Abonos Minerales Potásicos (Sulfato Potásico, Cloruro Potásico, Cenizas de Madera).
2.2.4.2.1. Evaluación de Abonos (Métodos Analíticos)
La cuantificación de la biomasa microbiana es una de las variables más importantes y su
determinación nos lleva a la comprensión de la eficiencia del mismo, los métodos
clásicos son métodos directos que se basan en el número de células o en el peso celular,
existen, métodos alternativos en donde se estima algún componente o alguna actividad
metabólica especifica. (Arnáiz, 2002).
Para nitrógeno, se propone comúnmente utilizar el Método de Kjeldahl, este consiste en
la descomposición de la muestra con ácido sulfúrico caliente a ión amonio que
posteriormente se convierte a amoniaco y es neutralizado por una base. (Skoog, 2015).
Para fósforo, se propone usar el método espectrofotométrico molibdato-vanadato, esta
técnica incluye dos pasos principales, el primero es una conversión de todas las formas
asimilables de fósforo a ortofosfato y el segundo paso consiste en la detección del
ortofosfato en solución, este ortofosfato reaccionará con molibdato de amonio en medio
ácido y en presencia de vanadio para generar el ácido vanadomolibdofosfórico de color
amarillo, el cual se medirá entre una longitud de onda de 400 nm y 700 nm. (George W.
Latimer, 2009)
Para potasio, se propone comúnmente utilizar el método de Absorción Atómica.
(Arnáiz, 2002).
18
2.3. Fundamento legal
2.3.1 Políticas básicas ambientales del Ecuador, punto 13 (TULA)
El Estado Ecuatoriano establece como instrumento obligatorio previamente a la
realización de actividades susceptibles de degradar o contaminar el ambiente, la
preparación, por parte de los interesados a efectuar estas actividades, de un Estudio de
Impacto Ambiental (EIA) y del respectivo Programa de Mitigación Ambiental (PMA) y
la presentación de éstos junto a solicitudes de autorización ante las autoridades
competentes, las cuales tienen la obligación de decidir al respecto y de controlar el
cumplimiento de lo estipulado en dichos estudios y programas a fin de prevenir la
degradación y la contaminación, asegurando, además, la gestión ambiental adecuada y
sostenible. El Estudio de Impacto Ambiental y el Programa de Mitigación Ambiental
deberán basarse en el principio de lograr el nivel de actuación más adecuado al
respectivo espacio o recurso a proteger, a través de la acción más eficaz.
2.4. Preguntas de hipótesis
2.4.1 Hipótesis de trabajo Hi.
Es posible evaluar como abono agrícola la biomasa microbiana producida en el
tratamiento de ARDs usando MFCs.
2.4.2 Hipótesis Nula Ho.
No es posible evaluar como abono agrícola la biomasa microbiana producida en el
tratamiento de ARDs usando MFCs.
19
CAPÍTULO III
3. METODOLOGÍA
3.1. Diseño de la investigación (Enfoque, Nivel y Tipos)
Para este trabajo de investigación el método utilizado fue experimental y descriptivo, ya
que busca cuantificar la variable biomasa microbiana generada a través del tratamiento
de ARDs usando MFCs, además de determinar el voltaje producido en dicho
tratamiento y por último encontrar el porcentaje de degradación de la materia orgánica
presente en las ARDs usando MFCs a través de la manipulación de las variables
independientes tiempo, concentracion inicial de DQO y tipo de conexión.
El presente proyecto corresponde a una investigación experimental del tipo cuantitativo
porque se cuantificó la variable (% de biomasa microbiana) generada por las MFCs, las
variables independientes fueron: concentración inicial de DQO y tipo de alambre
conector y las variables dependientes fueron: eficiencia coulúmbica de las MFCs
(Relación entre la Intensidad de corriente y DQO removido, el indicador fue el % de
eficiencia de la celda en función del tiempo y DQO inicial), % de biomasa microbiana
generada (contenido de nitrógeno, fósforo y potasio que se encuentran en función del
tiempo) y por último la concentración de macronutrientes en la biomasa producida
expresada en (mg/Kg biomasa generada).
3.2. Población y muestra
En el presente proyecto de investigación la población fue las ARDs provenientes de la
planta de tratamiento de la parroquia de Pintag, específicamente el barrio de Ubillus
ubicado en el sector sur-oriente de la provincia de Pichincha dentro del Distrito
Metropolitano de Quito y la toma de muestra fue precisamente en el lugar de desfogue
de las ARDs de todo el barrio. A continuación se muestra el mapa de la parroquia de
Pintag
20
Figura 3.14 División parroquial del Distrito Metropolitano de Quito
Barrio: Ubillús Latitud: -0.416667 Longitud: -78.3833
Como muestra se usaron MFCs (clásicas con puente salino) con un volumen de carga de
ARDs de 50 ml, se evaluó su comportamiento de degradación y además se evaluó la
biomasa microbiana generada en cada MFCs como posible abono agrícola.
3.3.Métodos, materiales y reactivos
En el presente estudio se realizaron los análisis de resultados utilizando el método
deductivo y los resultados que se generaron en cada MFCs se analizaron para evaluar
todas las variables dependientes propuestas.
Materiales laboratorio Microbiológico.
Equipo de Protección Biológica Primaria (guantes, mascarilla, cofia)
Estufa
Mechero de Bunsen
Cabina de Bioseguridad Tipo II Modelo 19C2-459-N5, Marca ESCO
Cajas de Petri de vidrio.
Matraces Erlenmeyer 25,100,250 y 500 mL
Medios Microbiológicos
Agar Müller-Hilton (Merck)
Caldo BHI (Difco™ & BBL™)
21
Equipos
Espectrofotómetro (Spectrum 2100 UV-PC)
Balanza Analítica Marca Pioner, Modelo PA214C
Refrigeradora Marca Innova, Modelo IRAZZU 1000 NF
Autoclave Modelo TM-XD350
Ultrasonido
Vortex marca BOECO GERMANY Vortex V-1plus
Digestor de muestras DRB200 (Hach Company, Loveland, CO)
Espectrofotómetro DR1900 (Hach Company, Loveland, CO)
Multímetro (Digital Multimeter DT832)
Filtración al vacío marca VEB MLW LABORTECHNIK ILMENAU Nº
83098
Reactivos
Ácido Nítrico
Ácido Sulfúrico
Cloruro de Potasio
Agua tipo II
Dicromato de Potasio
Agar-Agar
Gas Nitrógeno
Etanol
Materiales para la construcción de la celda tipo MFC convencional
Matraces Erlenmeyer 50ml
Tubo de vidrio en U
Electrodos en barra de grafito 1.8cm x 0.7 cm
Cable de Ni-Ti #15 recubiertos de aislante plástico
Pegamento epóxido
Tapones de Goma #5
Pega Conductora
Cable de Cobre
3.4. Diseño Experimental
Se evaluó el contenido de nitrógeno, fósforo y potasio de la biomasa generada en el
tratamiento de ARDs para ser usado como posible abono agrícola, se propuso una
comparación entre estas variables:
22
Matriz de Operacionalización de las Variables.
Tabla 3-1 5Matriz de Operacionalización de variables.
VARIABLE DIMENSIÓN INDICADOR
Independiente Tipo de Conexión Cualitativo
níquel titanio
(Ni-Ti) y cobre
Concentración de DQO inicial (dos
concentraciones )
Ppm
Dependiente Degradación de las ARDs %
Eficiencia Coulúmbica de la Celda mV,
% Eficiencia
Coulúmbica (E.C)
Biomasa Generada % Biomasa
generada
Concentración de Macronutrientes
en la biomasa producida
(mg de
macronutriente /kg
biomasa)
3.5.Procedimientos
Para la experimentación se ha procedido a dividir en 2 etapas:
Montaje y evaluación de las MFCs.
Cuantificación y evaluación de la biomasa generada por el tratamiento ARDs
usando MFCs.
MONTAJE Y EVALUACION DE LAS MFCs
3.5.1 Preparación de Electrodos.
Se utilizó cilindros de grafito procedentes de pilas secas recicladas tamaño DD, los de
0,7 cm de diámetro y 1,8 cm de altura, posteriormente fueron sometidos a un
tratamiento térmico en un mechero al rojo vivo (Figura 3.2). A continuación, se
sumergieron en una solución de ácido nítrico (HNO3, 5%) durante 20 min, a
continuación, se los lavó con agua tipo II y un posterior tratamiento en ultrasonido
durante 15 min. Los electrodos fueron perforados en uno de los extremos con una broca
“Hss #130” haciendo un agujero de 2mm de diámetro en el que se engarzó un alambre
fino de Ni-Ti y cobre respectivamente con una cubierta plástica. Se completó el
aislamiento aplicando resina epóxica (inerte para las bacterias), cuidando de que el
alambre no quede expuesto. La conexión entre el alambre y el electrodo fue evaluada
mediante un multímetro.
23
Figura 3.2 5Preparación de electrodos de grafito.
3.5.2 Preparación de Inóculos y Crecimiento del Biofilm.
Para la preparación de inóculos se utilizaron bacterias electrogénicas Geobacter Spp y
un consorcio de bacterias (Mix de Bacterias) formadas por la E. Coli y Pseudomona
principalmente; estas fueron aisladas y administradas por el personal encargado en
Microbiología del Laboratorio de Energías Renovables de la Universidad Central del
Ecuador, la inoculación se realizó durante 5 días sumergiendo los electrodos en su
totalidad en un matraz de 250 ml con caldo BHI en agua destilada. Para el crecimiento
del biofilm se utilizaron electrodos previamente tratados (ver 3.5.2), que fueron
suspendidos en alcohol 70 % durante 30 min y posteriormente fueron lavados con agua
destilada estéril previo a su inoculación, estos electrodos fueron usados en la
inoculación, al cabo de 5 días se apreció la capa de biofilm en cada electrodo.
Figura 3.3 6(a) Formación del biofilm en el electrodo de grafito (b) Medio de cultivo BHI
al cabo del proceso de inoculación
24
3.5.3 Preparación de combustible de celda (Agua Residual Doméstica).
Las ARDs obtenidas en el muestreo fueron acidificadas con 0,5 ml de H2SO4
concentrado, después se procedió a retirar los sólidos con un filtro de gasa, quedando en
la muestra solo el filtrado y para preservar la muestra se lo sometió a una temperatura de
4 ºC para sus posteriores análisis y tratamientos.
3.5.4 Ensamblaje de las MFCs
Las celdas MFCs clásicas, fueron armadas con dos matraces de 50ml unidos mediante
un puente salino de 5 mm de diámetro que contuvo 2% agar-agar y 1M en KCl. Ambas
cámaras fueron selladas con tapones de goma los que fueron perforados y acoplados a
dos mangueras plásticas, que sirvieron de entrada y salida para la toma de muestras,
entrada de aire e inyección del inóculo. La cámara anódica fue adaptada con una
manguera donde se extrajo el gas producido en el proceso y la cámara catódica fue
bombeada con oxígeno para que se produzca el intercambio de electrones en las MFCs.
Se usó como sustrato agua residual doméstica en la cámara anódica con su respectivo
inóculo y se usó agua destilada tipo II en la cámara catódica (Figura 3.3); también se
armó blancos, a los blancos se usó agua destilada como sustrato e inóculo y en la
cámara catódica agua destilada respectivamente.
Figura 3.4 7MFCs clásicas armadas en el Laboratorio
25
3.5.5 Evaluación de las MFCs.
Para la evaluación de las MFCs se realizaron las siguientes mediciones:
3.5.6.1 Voltaje a circuito cerrado
Se procedió a medir cada día el voltaje generado por cada MFC a circuito cerrado (es
decir con una resistencia que provea la máxima potencia a la celda MFC) durante 5 días
con un multímetro (Digital Multimeter DT832).
3.5.6.2 Curvas de polarización (eficiencia coulúmbica)
Tanto en curvas de polarización como en medidas de eficiencia coulúmbica se
procedieron a medir el voltaje generado por cada MFC usando un multímetro (Digital
Multimeter DT832) al usar una serie de resistencias (Figura 3.5), siendo estas de (100,
300, 510, 820, 1500, 2200, 3000, 5100, 10000, 15000, 20000, 51000 y 100000) Ω; esta
curva de polarización es usada en el Laboratorio de Energías Renovables la cual ha sido
referenciada y usada en anteriores investigaciones. Con respecto a las curvas de
polarización estas muestran tres segmentos definidos, el primero es una pérdida rápida
de potencial al iniciar la curva, el segundo procede a una caída de menor pendiente y el
tercero es una caída rápida de potencial.
Figura 3.5 8Medición de voltaje a circuito cerrado de una MFC
3.5.6.3 Degradación de las ARDs
Se realizó la medición de la cantidad de materia orgánica por medio de la técnica de
DQO validada respectivamente, este análisis de DQO se midió cada día por un tiempo
de 5 días en cada MFC.
Con respecto al análisis de DQO, se procedió a tomar una muestra de 2 ml de cada
MFC, y se agregó a la solución de DQO previamente mezclada y estabilizada (1,5 ml de
26
solución digestora + 3,5 ml de solución ácida), después se procedió a digestar la
muestra durante dos horas en un digestor marca HACH DRB 200, posteriormente se
analizó en el espectrofotómetro marca HACH DR1900 a una longitud de onda de 620
nm (Figura 3.6).
Figura 3.69Medición espectrofotométrica de DQO
Terminada la primera parte, se procedió a realizar la recolección, cuantificación de la
biomasa microbiana y de sus macronutrientes (N, K, y P).
CUANTIFICACIÓN Y EVALUACIÓN DE LA BIOMASA GENERADA POR EL
TRATAMIENTO DE ARDs USANDO MFCs.
3.5.7 Recolección y cuantificación de la biomasa microbiana.
La biomasa microbiana fue recolectada después de un transcurso de 5 días, durante los
cuales se procedió a hacer el análisis electroquímico correspondiste en cada MFC
(Figura 3.7), la biomasa generada se recogió en un papel filtro de poro 2 um, y un
equipo de filtración al vacío marca VEB MLW LABORTECHNIK ILMENAU Nº
83098, el extracto se lo guardó en una caja petri y se lo sometió a calentamiento en una
estufa marca MEMERT (EDELSTAHL Rostfrei) por 30 min a 100 ºC para eliminar su
humedad. Por diferencia de peso se procedió a realizar la cuantificación de la biomasa
microbiana en unidades mg Biomasa/L ARDs.
Después de esto se lo guardó en una refrigeradora para su respectivo análisis
cuantitativo.
27
Figura 3.710Generación de biomasa microbiana en la superficie de las MFCs
3.5.8 Evaluación del contenido de macronutrientes de la Biomasa Microbiana.
Después de la recolección y cuantificación de la biomasa microbiana se procedió a
analizar sus respectivos elementos (N, P, K).
3.5.8.1 Cuantificación de Nitrógeno
Para determinar el contenido de nitrógeno se siguió la metodología de Nitrógeno Total,
método de digestión con persulfato, con un rango de 0 – 25 mg/L N provista por
HACH, el procedimiento se ha detallado a continuación: El método consistió en
disolver una pequeña cantidad de muestra de biomasa en 10 ml de agua destilada tipo II.
Usando el Kit Test`n Tube Total Nitrogen Hidroxide Reagent Set 2671745, a cada tubo
de ensayo se agregó con un embudo una cantidad constante de reactivo persulfato, para
cada muestra se agregó 2 ml de reactivo y para el blanco se usó 2 ml de agua destilada
tipo II, se tapó los tubos de ensayo y se agitó por 30 segundos en un equipo Vortex
marca BOECO GERMANY Vortex V-1plus, se calentó por 30 minutos a una
temperatura de 105 ºC en un digestor marca HACH DRB 200, posterior los 30 minutos
dejó enfriar los tubos de ensayo, se usó un espectrofotómetro marca HACH DR1900 a
420 nm, el mismo que dispuso de la curva de calibración para el análisis Test`n Tube
Total Nitrogen Hidroxide Reagent Set 2671745 con un rango de 0-25 mg/L N.
3.5.8.2 Cuantificación de Fósforo
Para determinar el contenido de fósforo total se siguió la metodología APHA 4500-P
Molibdato-Vanadato Método Colorimétrico del “Standard Methods for the
Examination of Wáter and Wastewater” con un rango de 0-15 mg/L, el procedimiento
se ha detallado a continuación: Se diluyó la muestra a 50 ml, después se digestó hasta
28
10 ml con 5 ml de ácido clorhídrico concentrado y 2 ml de ácido sulfúrico concentrado
en una plancha de calentamiento; después se agregó 3 gotas de fenolftaleína,
posteriormente se reguló el pH con ácido sulfúrico concentrado e hidróxido de sodio
hasta pH de 6-7. A esto se le agregó carbón activado, se lo filtro y se lo aforó a 50 ml.
Se tomó 35 ml de muestra, se añadió 10 ml del reactivo molibdato-vanadato (provisto
por el laboratorio OSP de la Universidad Central del Ecuador) y se aforó a 50 ml, se
esperó 10 min y leyó la absorbancia en el espectrofotómetro marca JASCO V-630, se
usó la curva de calibración del laboratorio OSP, la cual fue debidamente validada, en el
análisis se usó un patrón de 5 mg/l P para corroborar la exactitud de los resultados.
3.5.8.3 Cuantificación de Potasio
Para determinar el contenido de potasio se siguió la metodología “3111 Metals by
Flame Atomic Absorption Spectrometry” del “Standard Methods for the Examination
of Wáter and Wastewater” con un rango de 0-10 mg/L, el procedimiento se ha detallado
a continuación: Se agregó una cantidad de muestra de biomasa microbiana a una
cápsula de porcelana previamente limpia, pesada y tarada y se la calcinó en una mufla a
550 ºC por 4 horas, posteriormente se procedió a un lavado acido mediante agua
caliente y ácido nítrico concentrado y se recogió la muestra de la cápsula de porcelana
en un balón de aforo de 50 ml. Después se agregó unas gotas de cloruro de lantano para
evitar interferencias y se midió en el equipo marca PERKIN ELMER HGA-800 usado
en el laboratorio OSP de la Facultad de Ciencias Químicas, se usó la curva de
calibración de potasio usada en los análisis del laboratorio OSP, respectivamente
validada.
3.6.Técnica de Recolección de Datos.
Los instrumentos que se utilizaron en la investigación fueron la formulación de tablas
donde se anotaron todos los resultados que se obtuvieron de cada medición de MFCs en
cada día, el voltaje producido, la resistencia del circuito externo utilizada, la
concentración de DQO, etc.
3.6.1 Validación del método DQO
Este método está descrito en la norma publicada por American Public Health
Association llamado “Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater” (1999) literal 5220 D Método Colorimétrico.
29
3.6.1.1 Curva de calibración del método DQO
Cada curva de calibración fue realizada 4 veces con KHF (ftalato acido de potasio)
como patrón, se realizó concentraciones de KHF entre 100 y 1000 mg/l colocando
anteriormente en cada tubo de ensayo 1,5 ml de una solución de dicromato de potasio y
3,5 ml de ácido sulfúrico concentrado y finalmente añadiendo 2 ml de soluciones 0,
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 mg/l de KHF. Los tubos fueron
agitados por un equipo vortex marca BOECO GERMANY Vortex V-1plus, sometidos a
digestión por 120 minutos marca HACH DRB 200, dejados enfriar y posteriormente
medidos en un espectrofotómetro marca HACH DR1900 a una longitud de onda de 620
nm. (VER ANEXOS)
30
CAPITULO IV
4. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS
La primera etapa de la investigación consistió en evaluar las MFCs tanto en su
comportamiento de degradación y su eficiencia coulúmbica, en la segunda etapa de la
investigación se recolectó la biomasa generada en el proceso y se cuantificó los
macroelementos (N, P y K).
4.1 PRIMERA ETAPA
4.1.1 Evaluación de MFCs con Ni-Ti como tipo de conexión.
4.1.1.1 Voltaje a Circuito Cerrado.
Los resultados experimentales muestran que las MFCs pueden generar electricidad
empleando como sustrato agua residual doméstica, estas alcanzan comúnmente un
intervalo de voltaje de 0,2-0,6 V; el voltaje generado es una función de la resistencia
externa, por lo tanto a medida que las resistencias van disminuyendo el potencial de
celda también disminuye, cada MFCs fue medida previa incorporación de una
resistencia externa que a su vez generaba la máxima corriente en el sistema. (Logan,
2008). Para cada MFC se realizó un triplicado, el área del ánodo fue de 0,94 cm2 y se
mantuvo constante en toda la evaluación, además cada MFC fue medida en un lapso de
5 días, una medición por día y su comportamiento. La Tabla 4.1 muestra los voltajes
registrados durante los 5 días.
Tabla 4-1 6Voltajes a circuito cerrado usando Ni-Ti
DQO Alto DQO Bajo
Tiempo
(h)
M1 M2 M3 Blanco
(B)
M1 M2 M3 Blanco
(B)
1 548 468 427 538 488 463 512 513
24 369 228 275 248 260 268 261 306
48 288 226 233 198 239 251 244 198
72 268 213 209 196 201 208 211 179
96 245 204 176 155 164 166 174 161
Como se puede observar en la tabla 4.1 se obtiene similitud en los resultados; al cabo de
las primeras 24 horas existe la caída más pronunciada de potencial que se la denominará
como fase de declive, esto se puede deber al metabolismo bacteriano, las bacterias
interactúan directamente con el sustrato en su máxima capacidad oxidante, por ende
después de este tiempo se mantiene una caída de potencial menos pronunciada ya que la
capacidad oxidante de las bacterias es menor, en la figura 4.1 (voltaje vs tiempo) se
puede apreciar más claramente la caída de potencial pronunciada.
31
Figura 4.111Generación de bioelectricidad usando Ni-Ti a DQO Alto
En la Figura 4.1 se puede observar una caída de potencial en la fase de declive de 179
mV, 240 mV y de 152mV para las muestra 1, muestra 2 y muestra 3 respectivamente,
el blanco posee una caída máxima de 290 mV, con respecto al blanco se demuestra que
estas bacterias son buenas para producir voltaje inclusive si no tienen sustrato para
oxidar, estas caídas de potencial posiblemente se deban también al desanclaje de los
microorganismos en la superficie del ánodo.
En la Figura 4.2 se realizó el mismo análisis para las MFCs a DQO bajo para ver su
comportamiento de producción de electricidad.
Figura 4.212Generación de bioelectricidad usando Ni-Ti a DQO Bajo
Tanto en la figura 4.1 como en la figura 4.2 con respecto al blanco se puede apreciar un
voltaje considerable en todo el proceso electroquímico, estas bacterias generan potencial
a pesar de que el sustrato no posee una cantidad de materia orgánica que oxidar
considerable, esto se puede deber a que el medio incorporado fue un inóculo rico en
0
100
200
300
400
500
600
0 20 40 60 80 100 120
Vo
ltaj
e (
mV
)
Tiempo (h)
Producción Electricidad, Ni-Ti, DQO Alto
Muestra (M1)
Muestra (M2)
Muestra (M3)
Blanco (B)
0
100
200
300
400
500
600
0 20 40 60 80 100 120
Vo
ltaj
e (
mV
)
Tiempo (h)
Producción Electricidad, Ni-Ti, DQO Bajo
Muestras (M1)
Muestras (M2)
Muestras (M3)
Blanco (B)
Fase de
declive
Fase de
declive
32
nutrientes Caldo BHI (Infusion Brain Heart) (García, 2016). Se observa un potencial
casi constante que oscila entre (176 y 245 mV) en las MFCs al cabo del día 5.
4.1.1.2 Curvas de polarización
Se procedió a medir el voltaje generado con una serie de resistencias siendo estas de
100, 300, 510, 820, 1500, 2200, 3000, 5100, 10000, 15000, 20000, 51000 y 100000 Ω,
el voltaje generado al aplicar una resistencia externa sigue un comportamiento
directamente proporcional, mientras más aumenta la resistencia el voltaje producido por
la celda aumenta, además se ha calculado intensidad de corriente, densidad de corriente
y potencia generada por cada MFC.
MFCs, DQO alto, Ni-Ti.
A manera de ejemplo se muestra a continuación la curva de polarización de la muestra
2, todas las tablas y curvas de polarización de las muestras 1, 2, 3 se encuentran en
ANEXOS
Muestra 2
En la siguiente tabla se muestra la relación entre resistencia y potencial de cada MFC en
el día 1. El área del ánodo corresponde al área geométrica del electrodo usado en esta
investigación
Tabla 4-2 7Curva de polarización muestra 2, día 1 usando Ni-Ti a DQO Alto, área del ánodo.
Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Intensidad de
corriente I (mA)
Densidad
(mA/cm2)
Potencia
(mW/m2)
100 2 0,0200 0,021 0,426
300 8 0,0267 0,028 2,270
510 14 0,0275 0,029 4,088
820 21 0,0256 0,027 5,721
1500 41 0,0273 0,029 11,922
2200 58 0,0264 0,028 16,267
3000 71 0,0237 0,025 17,876
5100 112 0,0220 0,023 26,166
10000 180 0,0180 0,019 34,468
15000 237 0,0158 0,017 39,836
20000 274 0,0137 0,015 39,934
51000 367 0,0072 0,008 28,095
1000000 425 0,0004 0,000 1,922
Como se puede observar en la Tabla 4.2 (resaltado en amarillo) se obtuvo una máxima
potencia de 39,934 mW/m2 que se genera al aplicar una resistencia de 20000 Ω, esta
potencia de celda depende de la superficie del electrodo, la arquitectura de la celda y de
la relación tamaño del electrodo-volumen de carga de MFC. (Logan, 2008). En los
siguientes gráficos se pueden observar la relación entre el potencial generado, densidad
de corriente y potencia respectivamente.
33
A continuación la gráfica 4.3 observa la curva de polarización de la muestra 2 en el día
1
Figura 4.313Curva de polarización, muestra 2, día 1, Ni-Ti a DQO Alto
Como se puede observar en la Figura 4.3 (círculo rojo) al imponer una resistencia
externa de 20000Ω, estas MFCs llegan a tener un potencial máximo de 274 mV,
generando a su vez una intensidad de corriente de 0.0028 mA y además una potencia de
39,93 mW/m2, todos estos datos corresponden al análisis de la muestra 2 usando una
concentración de DQO alto en el día 1.
La Tabla 4.3 muestra un resumen de las máximas potencias generadas por día, sus
respectivos voltajes e intensidad de corriente para cada repetición. Las curvas de
polarización respectivas de cada día se encuentran en el ANEXOS
Tabla 4-3 8Curva de polarización muestra 1, 2 y 3, usando Ni-Ti a DQO Alto.
Ni-Ti DQO ALTO
Muestra
Tiempo
(h)
Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Intensidad
de corriente
I (mA)
Densidad
(mA/cm2)
Potencia
(mW/m2)
Muestra
1
1 51000 143 0,0028 0,003 4,266
24 15000 139 0,0093 0,01 13,703
48 15000 118 0,0079 0,008 9,875
72 15000 122 0,0081 0,009 10,556
96 15000 119 0,0079 0,008 10,043
Muestra
2
1 20000 274 0,0137 0,015 39,934
24 10000 131 0,0131 0,014 18,256
48 5100 50 0,0098 0,010 5,215
72 10000 84 0,0084 0,009 7,506
96 15000 114 0,0076 0,008 9,217
Muestra
3
1 10000 165 0,0165 0,018 28,963
24 10000 107 0,0107 0,011 12,18
48 10000 103 0,0103 0,011 11,286
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0,3500
0,4000
0,4500
0,000 0,010 0,020 0,030 0,040
De
nsi
dad
de
po
ten
cia
( m
W/m
2)
Dif
ere
nci
a d
e p
ote
nci
al (
V)
Densidad de corriente (mA/cm2)
34
72 5100 60 0,0118 0,013 7,509
96 5100 59 0,0116 0,012 7,261
Como se puede observar en la Tabla 4.3 las tres muestras alcanzan entre el día 1 y el día
2 su máxima potencia de celda, siendo en promedio la máxima potencia de 27,53
mW/m2, esto posiblemente se deba a que existe una caída pronunciada de potencial
después de este tiempo, según (Logan, 2008) al usar este tipo de bacterias (bacterias
electrogénicas) después de llegar a su fase exponencial de crecimiento (duplicación
celular) y máxima capacidad de oxidación de sustrato comienzan a disminuir tanto su
densidad de potencia como su capacidad de oxidación ya que el sustrato va
disminuyendo.
En las figura 4.4 se muestra la relación potencial vs densidad de corriente de la MFC de
la muestra 2 al cabo de 5 días de experimentación.
En la figura potencial vs densidad de corriente se observa una potencia inicial de 425
mV al aplicar una resistencia externa de 20000 Ω y una potencia máxima de 39,93
mW/m2 en el día 1.
Los valores de potencia alcanzados en el Figura 4.4 tienden a ser similares en los días
3, 4, 5 comenzando en 5,215; 7,506 y 9,217 mW/m2 respectivamente y usando una
resistencia externa de 5100, 10000 y 51000 Ω respectivamente, posiblemente también
se deba a que a partir del día 3 los sustratos tienen una remoción de DQO similar según
lo que se observará a continuación en la sección 4.1.1.3 y en este tiempo la caída de
potencial es menos pronunciada.
A continuación en la Tabla 4.4 se muestra el promedio de producción de electricidad
respecto a las variables DQO alto con conexión de Ni-Ti
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0,3500
0,4000
0,4500
0 0,01 0,02 0,03 0,04
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente mA/cm2
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 50,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
0 0,02 0,04
Den
sid
ad d
e p
ote
nci
a m
W/m
2
Densidad de Corriente mA/cm2
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
Figura 4.414Curva de (a) potencial vs densidad de corriente, (b) densidad de potencia vs densidad de
corriente); muestra 2, Ni-Ti a DQO Alto.
35
Tabla 4-4 9Promedio de producción de electricidad, usando Ni-Ti a DQO Alto.
Muestra Tiempo
(h)
Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Intensidad de
corriente I
(mA)
Densidad
(mA/cm2)
Potencia
(mW/m2)
Muestra Promedio
1 30000 194 0,011 0,012 24,388
24 10000 126 0,011 0,012 14,713
48 10000 90 0,009 0,01 8,792
72 10000 89 0,009 0,01 8,524
96 10000 97 0,009 0,009 8,84
Como se puede observar la máxima producción de electricidad se dá en el día 1, siendo
la máxima potencia de 24,388 mW/m2, al cabo del día 2 existe un porcentaje de
disminución de potencia del 39,67%, este porcentaje de disminución de potencia puede
deberse a que la interacción sustrato-bacterias a partir del día 2 es menor ya que
comienza a existir muerte celular (formación de biomasa microbiana) por la oxidación
de los contaminantes de las ARDs.
MFCs, DQO Bajo, Ni-Ti
En la siguiente tabla se muestran los resultados al usar una concentración de DQO bajo
para cada MFC
Tabla 4-5 10Curva de polarización muestra 1, 2 y 3, usando Ni-Ti a DQO Bajo.
Ni-Ti DQO bajo
Muestra Tiempo
(h)
Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Intensidad
de corriente
I (mA)
Densidad
(mA/cm2)
Potencia
(mW/m2)
Muestra
1
1 10000 194 0,0194 0,021 40,038
24 10000 131 0,0131 0,014 18,256
48 5100 91 0,0178 0,019 17,274
72 10000 84 0,0084 0,009 7,506
96 5100 44 0,0086 0,009 4,038
Muestra
2
1 51000 228 0,0045 0,005 10,844
24 10000 103 0,0103 0,011 11,286
48 20000 114 0,0057 0,006 6,913
72 10000 85 0,0085 0,009 7,686
96 10000 81 0,0081 0,009 6,98
Muestra
3
1 51000 143 0,0028 0,003 4,266
24 51000 150 0,0029 0,003 4,693
48 51000 130 0,0025 0,003 3,525
72 51000 139 0,0027 0,003 4,03
96 51000 128 0,0025 0,003 3,418
36
Se puede observar en la Tabla 4.5 la tendencia en el día 1 y 2 de máxima potencia de
cada MFC, esto siendo las resistencias de 10000 Ω y 51000Ω las predominantes en la
generación de voltaje a circuito cerrado.
A continuación se observan las curvas de polarización de la muestras 1
Muestra 1
Como se observa en la figura 4.5 se genera en el día 1 una máxima potencia de 40
mW/m2 al aplicar una resistencia externa de 10000Ω, el potencial generado por esta
resistencia es 194 mV.
A continuación en la Tabla 4.6 se muestra el promedio de producción de electricidad
respecto a las variables DQO alto con conexión de Ni-Ti
Tabla 4-6 11Promedio de producción de electricidad, usando Ni-Ti a DQO Bajo.
Muestra Tiempo
(h)
Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Intensidad de
corriente I
(mA)
Densidad
(mA/cm2)
Potencia
(mW/m2)
Muestra Promedio
1 51000 188 0,009 0,01 18,383
24 20000 128 0,009 0,009 11,412
48 20000 112 0,009 0,009 9,237
72 20000 103 0,007 0,007 6,407
96 20000 84 0,006 0,007 4,812
Como se puede observar la máxima producción de electricidad se dá en el día 1, siendo
la máxima potencia de 18,383 mW/m2, al cabo del día 2 existe un porcentaje de
disminución de potencia del 37,92%, este porcentaje de disminución de potencia es
similar al descrito anteriormente (Tabla 4.4) y que además de lo expuesto puede ser
responsable la cantidad de sustrato que existe en las ARDs.
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0,3500
0,4000
0,000 0,020 0,040 0,060
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente mA/cm2
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 1
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
0 0,02 0,04 0,06
De
nsi
dad
de
Po
ten
cia
mW
/m2
Densidad de corriente mA/cm2
Densidad de Potencia vs Densidad de corriente, Muestra 1
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
Figura 4.515Curva de (a) potencial vs densidad de corriente, (b) densidad de potencia vs densidad de
corriente); muestra 1, Ni-Ti a DQO Bajo.
37
4.1.1.3 Degradación de las ARDs
Para cada MFC se procedió a realizar la medición de un blanco, cada blanco está
formado de inoculo y agua destilada, estos valores se restaron de cada MFC ya que en sí
este valor se deba al comportamiento bacteriano y no al comportamiento real de la
remoción de DQO (García, 2016).
La Tabla 4.7 muestra los valores de DQO usando como conexión Ni-Ti en el transcurso
de cada día durante 5 días.
Tabla 4-712Degradación de ARDs usando Ni-Ti
Ni-Ti DQO Alto DQO Bajo
Tiempo
(horas)
Muestra 1
(mg/L)
Muestra 2
(mg/L)
Muestra 3
(mg/L)
Muestra 1
(mg/L)
Muestra 2
(mg/L)
Muestra 3
(mg/L)
0 778 778 778 377,23 377,23 377,23
1 545,30 665,84 596,96 309,96 312,83 324,31
24k 459,20 433,37 462,07 278,39 298,48 307,09
48 364,49 355,88 375,97 275,52 292,74 289,87
72 249,69 249,69 264,04 249,69 235,34 229,60
96 189,42 175,07 172,20 212,38 186,55 200,90
Con respecto a la concentración de DQO alto se puede observar una tendencia de
degradación más amplia, esta inicia en 778 mg/L y termina en promedio en 179 mg/L
(aproximadamente 498 mg/L de DQO degradados) no así con la concentración de DQO
bajo la cual inicia en 377,23 mg/L y termina en promedio en 200 mg/L, es decir solo
degrada alrededor de 190 mg/L de DQO en los 5 días de tratamiento, esto se puede
deber a la cinética de este tipo de bacterias usadas en la investigación y por lo que se
llega a un DQO final de ARDs de 200 mg/L de DQO (investigaciones previas). (García,
2016).
Para comprender mejor los resultados anteriormente expuestos se muestra en la Tabla
4.8 los porcentajes de degradación usando como conexión Ni-Ti.
Tabla 4-813Porcentaje de degradación de ARDs usando Ni-Ti
NI-TI % DEGRADACIÓN
CONCENTRACIÓN DQO Muestra 1 (%) Muestra 2 (%) Muestra 3 (%)
DQO ALTO 75,652 77,497 77,866
DQO BAJO 43,699 50,547 46,743
Se puede observar una clara diferencia con respecto a la variable concentración inicial
de DQO, mientras mayor es la concentración de DQO existe más porcentaje de
degradación (en promedio un 77%), mientras que usando una concentración inicial de
DQO bajo las MFCs degradan en promedio un 47%.
38
A continuación en la siguiente gráfica se puede observar claramente el comportamiento
de degradación de cada MFC a una concentración de DQO específica
En la gráfica 4.6 (a) existe una fase de declive mucho más pronunciada que la gráfica
(b) en el transcurso de las primeras 24 horas, esto se puede deber a que en este tiempo
existe el máximo potencial de celda generado en la MFC y la potencia máxima de la
celda se encuentra en este intervalo de tiempo por lo que las bacterias están en su
máxima capacidad de degradación al oxidar el sustrato de las ARDs.
4.1.1.4 Eficiencia Coulúmbica Ni-Ti
A continuación se muestra en la Tabla 4.9 el porcentaje de eficiencia coulúmbica
promedio usando como conexión Ni-Ti.
Tabla 4-914Porcentaje de degradación promedio de ARDs usando Ni-Ti.
% Eficiencia Coulúmbica
Tiempo
(horas)
DQO Alto
Ni-Ti
DQO Bajo
Ni-Ti
1 0,22 3,60
24 14,67 31,87
48 11,28 51,96
72 9,41 29,02
96 17,30 19,69
Como se puede observar en la Tabla 4.9 (resaltado en amarillo) existe un pico máximo
en el cual existe mayor recuperación de electrones, en el caso de las MFCs con DQO
alto, se encuentran en el día 2 siendo de 14,67%, mientras que las MFCs con DQO bajo
alcanzan en el día 3 su máxima eficiencia coulúmbica de 51,96%.
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150
DQ
O (
mg/
l)
Tiempo (horas)
Remoción de Contaminantes (DQO alto, Niti)
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
150
200
250
300
350
0 50 100 150
DQ
O (
mg/
L)
Tiempo (horas)
Remoción de Contaminantes (DQO bajo, Niti)
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
Figura 4.616Remoción de contaminantes usando Ni-Ti (a) DQO Alto, (b) DQO Bajo
39
Figura 4.717Porcentaje de eficiencia coulúmbica usando Ni-Ti a DQO Alto y DQO Bajo.
En la figura 4.7 se puede observar la diferencia entre la variable concentración inicial,
las MFCs con DQO bajo (línea naranja) son las más eficientes en todos los días de
análisis con respecto a las MFCs a concentración inicial de DQO alto (línea azul), en el
día 3 con DQO bajo se llega a un 51,96% de eficiencia coulúmbica, mientras en el día
5 usando una concentración inicial con DQO alto se llega a un máximo de 17,30%; esto
se puede deber a que al tener una concentración inicial de DQO bajo de 377,23 mg/L en
el día 3 existe más recuperación de electrones como corriente por la poca remoción de
DQO (2,87 mg/L) mientras que la variación con respecto al DQO alto en el día 3 es de
94,71 mg/L.
4.1.2 Evaluación de MFCs con COBRE como tipo de conexión.
Debido a la homogeneidad de resultados se presentan los resultados en promedio a
continuación.
4.1.2.1 Voltaje a Circuito Cerrado.
Las MFCs con conexión de cobre tienden un comportamiento similar a las MFCs con
conexión de Ni-Ti descritas anteriormente.
Tabla 4-10 15Voltajes a circuito cerrado usando Cobre.
mV Producción de voltaje a circuito
cerrado
Tiempo (h) DQO Alto/Cobre DQO Bajo/Cobre
1 547,6 495
24 296,6 256
48 252,6 214,6
72 263 162
96 220,3 147,3
Como se puede observar en la Tabla 4.10 las MFCs con conexión de cobre poseen un
potencial máximo que bordea los 547,6 mV para concentración de DQO alto y de 495
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100 120
% E
fici
en
cia
Co
ulú
mb
ica
Tiempo (horas)
% Eficiencia Coulúmbica (Ni-Ti)
DQO Alto Ni-Ti
DQO bajo, Ni-Ti
40
para concentración de DQO bajo, y llegan al cabo del día 5 a un voltaje de 220,3 en
concentración de DQO alto y de 147,3 mV con concentración de DQO bajo. A
continuación en la siguiente figura 4.8 se observa claramente la tendencia de caída de
potencial de las MFCs al transcurrir el tiempo.
Figura 4.818Generación de bioelectricidad usando conexión de Cobre
Las MFCs con conexión de cobre tienden a generar bioelectricidad en menor cantidad
con respecto a las MFCs con conexión de Ni-Ti; aunque la variación es muy limitada,
es más eficiente usar MFCs con concentración de DQO alto, ya que estas poseen más
sustrato que oxidar, por lo tanto hay más transferencia de electrones y mayor generación
de potencial.
4.1.2.2 Curvas de polarización.
Se observa en la Tabla 4.11 la potencia máxima generado por las MFCs usando
conexión de cobre al cabo de 5 días.
0
100
200
300
400
500
600
0 20 40 60 80 100 120
Vo
ltaj
e (
mV
)
Tiempo (horas)
Voltaje a circuito cerrado, Cobre
DQO Alto/Cobre
DQO Bajo/Cobre
41
Tabla 4-1116Potencia máxima, intensidad de corriente y resistencias usando Cobre
Cobre DQO Alto DQO Bajo
Muestra Tiempo
(h)
Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Intensidad
de corriente
I (mA)
Densidad
(mA/cm2)
Potencia
(mW/m2)
Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Intensidad
de corriente
I (mA)
Densidad
(mA/cm2)
Potencia
(mW/m2)
Muestra
1
1 51000 128 0,0025 0,003 3,418 10000 103 0,0103 0,011 11,286
24 51000 111 0,0022 0,002 2,57 20000 132 0,0066 0,007 9,268
48 10000 30 0,003 0,003 3 15000 71 0,0047 0,005 3,575
72 51000 101 0,002 0,002 2,128 20000 80 0,004 0,004 3,404
96 10000 16 0,0016 0,002 3 10000 55 0,0055 0,006 3
Muestra
2
1 51000 170 0,0033 0,004 6,028 20000 68 0,0029 0,003 1,789
24 51000 167 0,0033 0,003 5,817 51000 111 0,0022 0,002 2,57
48 51000 149 0,0029 0,003 4,631 51000 104 0,002 0,002 2,256
72 51000 134 0,0026 0,003 3,746 51000 76 0,0015 0,002 1,205
96 51000 130 0,0025 0,003 3,525 10000 59 0,0059 0,006 3,703
Muestra
3
1 51000 178 0,0035 0,004 6,609 20000 146 0,0073 0,008 11,338
24 51000 174 0,0034 0,004 6,315 15000 108 0,0072 0,008 8,272
48 20000 92 0,0046 0,005 4,502 10000 84 0,0084 0,009 7,506
72 51000 139 0,0027 0,003 4,03 20000 81 0,0041 0,004 3,49
96 51000 125 0,0025 0,003 3,259 20000 82 0,0041 0,004 3,577
42
Se puede observar en la Tabla 4.11 la tendencia en el día 1 de máxima potencia de cada
MFC, siendo las resistencias de 10000 Ω y 51000Ω las predominantes en la generación
de voltaje a circuito cerrado.
A continuación se observan las curvas de polarización de la muestras 1 usando DQO
Alto y como conexión cobre
Muestra 1
A pesar de la similitud de potencial en las MFCs con conexión de Ni-Ti con respecto a
las MFCs de cobre se puede ver una diferencia en las curvas de polarización siendo
estas más semejantes con respecto a la variación en cada día, se obtiene una máxima
potencia de celda de 3,41 mW/m2 en el día 1 y una caída de potencial desde 128 mV
hasta 16 mV usando una resistencia de 51000 Ω.
A continuación en la Tabla 4.12 se muestra el promedio de producción de electricidad
respecto a las variables DQO alto y bajo con conexión de Cobre
Tabla 4-1217Promedio de producción de electricidad, usando cobre a DQO Alto y Bajo.
Muestra Tiempo
(h)
Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Intensidad de
corriente I
(mA)
Densidad
(mA/cm2)
Potencia
(mW/m2)
Muestra Promedio DQO Alto
1 51000 159 0,003 0,004 5,352
24 51000 151 0,003 0,003 4,901
48 3000 90 0,004 0,004 4,044
72 51000 125 0,002 0,003 3,301
96 30000 90 0,002 0,003 3,261
1 15000 106 0,007 0,007 8,138
24 30000 117 0,005 0,006 6,703
Muestra 48 30000 86 0,005 0,005 4,446
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0 0,002 0,004 0,006 0,008
Po
ten
cial
(V
)
Densaidad de corriente mA/cm2
Potencial vs Densidad de corriente
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
-0,500
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
0 0,002 0,004 0,006 0,008
De
nsi
dad
de
po
ten
cia
(mW
/m2
)
Densidad de corriente mA/cm2
Potencia vs Densidad de corriente
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
Figura 4.919Curva de polarización (potencial vs densidad de corriente), muestra 1, Cobre a DQO Alto.
43
Promedio DQO Bajo
72 30000 79 0,003 0,003 2,7
96 30000 65 0,005 0,005 3,427
Como se puede observar la máxima producción de electricidad en promedio se dá en el
día 1 para la concentración inicial de DQO alto y DQO bajo, siendo la máxima potencia
de 5,352 mW/m2 y 8,138 mW/m2 respectivamente a una resistencia externa de 51000 y
15000 Ω , al cabo del día 2 existe un porcentaje de disminución de potencia del 8,42% y
17,63% respectivamente, estos porcentajes de disminución de potencia son menores con
respecto a la conexión Ni-Ti descrita anteriormente, posiblemente se deba a su
intensidad de corriente, ya que con cobre oscilan los valores de 0,004 mA/cm2 y 0,007
mA/cm2 respectivamente mientras que con Ni-Ti los valores fueron de 0,012 mA/cm2
y 0,010 mA/cm2 y según (Logan, 2008) mientras la celda electroquímica aumente en
su densidad de corriente se aumentará la densidad de potencia, es decir las MFCs con
Ni-Ti son mejores productoras de electricidad.
4.1.2.3 Degradación de las ARDs
Al igual que con la conexión de Ni-Ti en la Tabla 4.12 se aprecia la degradación de
ARDs usando MFCs con conexión de cobre.
Tabla 4-1218Degradación de ARDs usando Cobre.
Cobre DQO Alto DQO Bajo
Tiempo
(horas)
Muestra 1
(mg/L)
Muestra 2
(mg/L)
Muestra 3
(mg/L)
Muestra 1
(mg/L)
Muestra 2
(mg/L)
Muestra 3
(mg/L)
0 778 778 778 377,23 377,23 377,23
1 726,11 703,15 688,80 309,96 312,83 324,31
24 462,07 528,08 519,47 278,39 298,48 307,09
48 318,57 321,44 307,09 275,52 292,74 289,87
72 238,21 189,42 198,03 249,69 235,34 229,60
96 200,90 175,07 172,20 215,25 229,60 209,51
Se observa un comportamiento de degradación similar al descrito anteriormente con
conexión de Ni-Ti, se comienza con una concentración de DQO de 778 mg/L y
aproximadamente se llega a una concentración promedio de 182 mg/L de DQO al cabo
de 5 días; mientras que al iniciar con una concentración de DQO de 377,23 mg/L se
llega al cabo de 5 días a una concentración promedio de 218 mg/L, siendo más eficiente
usar una concentración de DQO alta ya que se obtendrá más porcentaje de degradación.
A continuación en la Tabla 4.13 se observan los porcentajes de degradación de ARDs
usando MFCs con conexión de cobre.
Tabla 4-13 19Porcentaje de degradación de ARDs usando Cobre
COBRE % DEGRADACIÓN
CONCENTRACIÓN DQO Muestra 1 (%) Muestra 2 (%) Muestra 3 (%)
DQO ALTO 74,177 77,497 77,866
DQO BAJO 42,939 39,135 44,460
44
Al cabo de 5 días se observa una diferencia significativa al variar la concentración de
DQO, al usar concentración de DQO alto se llega a un máximo de 77,86% de
degradación de ARDs, mientras que al usar concentración de DQO bajo solo se llega a
un máximo de 44,46 % de degradación de ARDs. En la siguiente gráfica se observan las
tendencias que sigue la remoción de contaminantes en ARDs usando MFCs.
Se muestra homogeneidad de resultados usando conexión de cobre en el tratamiento de
ARDs usando MFCs, En la gráfica 4.10 (a) sigue existiendo una fase de declive mucho
más pronunciada que la gráfica (b) en el transcurso de las primeras 24 horas, esto
posiblemente se deba a que en este tiempo las bacterias están en su máxima capacidad
de degradación y necesitan de sustrato para poder generar bioelectricidad, por ende la
concentración de DQO alta es más aprovechada por las bacterias en las MFCs.
4.1.2.5 Eficiencia Coulúmbica Cobre
A continuación se muestra en la Tabla 4.14 el porcentaje de eficiencia coulúmbica
promedio usando como conexión Cobre.
Tabla 4-14 20Porcentaje de eficiencia coulúmbica de ARDs usando Cobre
Tiempo
(horas)
DQO Alto,
Cobre
DQO Bajo,
Cobre
1 0,286 0,428
24 1,282 8,427
48 2,801 16,933
72 3,486 25,162
96 6,758 34,25
Como se puede observar en la tabla 4.14 (resaltado en amarillo) en el día 5 se alcanza su
máxima eficiencia coulúmbica siendo de 6,758% y 34,25% para DQO Alto y DQO
Bajo respectivamente. Según estudios previos, usando como sustrato fenol y un
consorcio de bacterias como la Geobacter Sp se ha llegado a una eficiencia coulúmbica
de 22,7% y una densidad de corriente de 0,012 mA/cm2 (Zhang Dongdong, 2016),
100
300
500
700
900
0 50 100 150
DQ
O (
mg/
L)
Tíiempo (horas)
Remoción de contaminantes, DQO Alto, Cobre
Muestra 1 (mg/L)
Muestra 2 (mg/L)
Muestra 3 (mg/L)
175
225
275
325
375
425
0 50 100 150D
QO
(m
g/L)
Tiempo (Horas)
Remoción de contaminantes, DQO Bajo, Cobre
Muestra 1(mg/L)
Muestra 2(mg/L)
Muestra 3(mg/L)
Figura 4.1020Remoción de contaminantes usando Cobre (a) DQO Alto, (b) DQO Bajo
45
valores a los cuales en esta presente investigación se han alcanzado usando MFCs de
bajo costo y ARDs de la comunidad de Ubillus. En la figura 4.10 se muestra la
tendencia que se sigue cada día en la recuperación de electrones.
Figura 4.1121Porcentaje de eficiencia coulúmbica usando Ni-Ti a DQO Alto y DQO Bajo.
En la figura 4.11 se puede observar un comportamiento lineal (mientras más aumenta el
tiempo más aumenta la eficiencia coulúmbica), siendo la concentración inicial de DQO
bajo la que posee mayor pendiente, es decir en este hay mayor recuperación de
electrones con respecto al sustrato inicial; esto posiblemente se deba a que mientras la
intensidad de corriente disminuye mientras el tiempo aumenta y la variación de DQO
también comienza a disminuir, por ende es más eficiente la recuperación de electrones
como corriente eléctrica (densidad de corriente). Hay que tener en cuenta también que la
eficiencia coulúmbica depende de la interacción entre el área del electrodo con el
volumen de la muestra ya que al ser solo muestras de MFCs de 50 ml se aumenta la
interacción, los resultados de eficiencia coulúmbica son menores al aumentar la
concentración inicial de DQO, ya que la elevada concentración de materia orgánica
también puede afectar la transferencia de masa en los electrodos por acumulación de
biomasa en los ánodos.
4.1.3 Análisis y comparación de la degradación de ARDs usando MFCs
Para poder comprender cual arquitectura de las MFCs es más eficiente al momento de
degradar aguas residuales domésticas se realizó un análisis estadístico con un diseño de
2k
y para esto se muestra a continuación un diagrama de Pareto de la remoción de
contaminantes en las ARDs.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 20 40 60 80 100 120
Efi
cie
nci
a C
ou
lúm
bic
a (%
)
Tiempo (Horas)
% Eficiencia Coulúmbica, Cobre
DQO Alto, Cobre
DQO bajo, Cobre
46
Figura 4.1222Diagrama de Pareto para la degradación de ARDs usando MFCs.
Como se puede observar en la figura 4.12 existe un efecto positivo con respecto a la
variable tiempo, es decir mientras aumenta el tiempo aumenta el porcentaje de
degradación de las ARDs, mientras que la variable conexiones posee un efecto negativo
que no es significativo en la investigación, además la variable concentración inicial de
DQO también posee un efecto negativo en la remoción de contaminantes, es decir que
mientras disminuye la concentración de DQO inicial se disminuye el % de degradación
de las ARDs usando MFCs.
A continuación en la figura 4.13 se observa los efectos principales en la degradación de
ARDs usando MFCs y conexiones de alambre de Ni-Ti y Cobre.
Como se muestra en la figura 4.13 se observa en la variable tiempo un efecto positivo,
ya que mientras más se aumenta el tiempo el porcentaje de remoción alcanza valores de
hasta 60%, mientras que la variable conexiones no tiene efectos importantes la variable
concentración inicial de DQO alcanza hasta un 52% de remoción al usar concentración
inicial de DQO bajo.
Diagrama de Pareto Estandarizada para REMOCION DQO
0 4 8 12 16 20 24
Efecto estandarizado
BC
B:CONEXIONES
AB
AA
AC
C:DQO INICIAL
A:TIEMPO +-
TIEMPO
-1,0 1,0
CONEXIONES
-1,0 1,0
DQO INICIAL
-1,0 1,0
Gráfica de Efectos Principales para REMOCION DQO
16
26
36
46
56
66
RE
MO
CIO
N D
QO
Figura 4.1323Diagrama de efectos principales para la degradación de ARDs usando MFCs.
47
Por último se ha realizado una función de predicción para teóricamente calcular en qué
momento se alcanza la máxima capacidad de remoción de contaminantes usando este
tipo de MFCs.
4.1.4 Análisis y comparación de la Eficiencia Coulúmbica de ARDs usando MFCs
Para poder comprender cual arquitectura de las MFCs es más eficiente al momento de
degradar aguas residuales domésticas se realizó un análisis estadístico con un diseño de
2k
y para esto se muestra a continuación un diagrama de Pareto de la Eficiencia
Coulúmbica en las ARDs usando MFCs.
Como se puede observar en la figura 4.14 existe un efecto positivo con respecto a las
variables concentración de DQO inicial y Tiempo, es decir mientras aumenta el tiempo
y la concentración de DQO aumenta el porcentaje de eficiencia coulúmbica de las
ARDs.
A continuación en la Figura 4.15 se observa los efectos principales en la degradación de
ARDs usando MFCs y conexiones de alambre de Ni-Ti y Cobre.
Figura 4.1525Diagrama de efectos principales para la eficiencia coulúmbica de ARDs
usando MFCs.
TIEMPO
-1,0 1,0
CONEXIONES
-1,0 1,0
DQO INICIAL
-1,0 1,0
Gráfica de Efectos Principales para EFICIENCIA C
0
5
10
15
20
25
EF
ICIE
NC
IA C
Diagrama de Pareto Estandarizada para EFICIENCIA C
0 2 4 6 8
Efecto estandarizado
AB
BC
AC
B:CONEXIONES
AA
A:TIEMPO
C:DQO INICIAL +-
Figura 4.1424Diagrama de Pareto para el porcentaje de eficiencia coulúmbica de ARDs usando MFCs
48
Como se muestra en la figura 4.15 existe una mayor eficiencia coulúmbica al usar
conexión Ni-Ti (esta llega hasta una eficiencia de 20%), además al usar la concentración
inicial de DQO bajo se llega a una eficiencia de 25%, con respecto al tiempo se puede
ver una tendencia curva, es decir se llega al 17% de eficiencia al intervalo de tiempo
entre los días 3, 4 y 5.
Por último se ha realizado una función de predicción para teóricamente calcular en qué
momento se alcanza la máxima eficiencia coulúmbica usando este tipo de MFCs.
4.2 SEGUNDA ETAPA
En esta segunda etapa se procedió a evaluar la cantidad de biomasa obtenida en cada
MFCs, y a cuantificar el contenido de N, P y K (macroelementos).
CUANTIFICACIÓN Y EVALUACIÓN DE LA BIOMASA GENERADA POR EL
TRATAMIENTO DE ARDs USANDO MFCs.
4.2.1 Cuantificación de la Biomasa Microbiana.
Se obtuvo una cantidad de biomasa en unidades mg Biomasa/L ARDs usando MFCs
para cada variable, a continuación en la Tabla 4.15 se describen los resultados.
Tabla 4-1521Biomasa Generada expresada en (mg Biomasa/L ARDs) usando MFCs.
Ni-Ti Cobre
DQO Alto
(ppm)
DQO Bajo
(ppm)
DQO Alto
(ppm)
DQO Bajo
(ppm)
Muestra 1 328 292 308 272
Muestra 2 308 284 302 288
Muestra 3 316 276 312 250
Promedio 317,3 284 307,3 270
Como se puede observar en la Tabla 4.15 con una concentración de DQO alta existe
más cantidad de biomasa generada, esto se debe posiblemente a que a esta
concentración de DQO inicial existe más cantidad de sustrato para oxidar, por ende
además que las bacterias generan un mayor potencial, tienden a llegar a la muerte
celular después del proceso electroquímico recolectándose en la superficie de las MFCs
como biomasa.
A continuación en la figura 4.16 se muestra un diagrama de barras de la concentración
de biomasa generada en el tratamiento de ARDs usando MFCs.
49
Figura 4.1626Gráfica de barras de la concentración (ppmˈs) de biomasa generada usando
MFCs.
Como se puede observar en la gráfica 4.16 se observa una similitud en los resultados
respecto a cada muestra analizada, siendo oportuno realizar un procedimiento de
comparación múltiple para determinar cuáles medias son significativamente diferentes
de otras.
Tabla 4-16 22Prueba de múltiples rangos de la concentración de biomasa generada.
Casos Media Grupos Homogéneos
DQO Bajo/Cobre 3 270,0 X
DQO Bajo/Ni-Ti 3 284,0 X
DQO Alto/Cobre 3 307,333 X
DQO Alto/Ni-Ti 3 317,333 X
Como se muestra en la Tabla 4.16 existen dos grupos homogéneos, constado este primer
grupo de las variables (DQO Bajo/Cobre y DQO Bajo/Ni-Ti), mientras que el segundo
grupo consta de las variables (DQO alto/Cobre y DQO Bajo/Ni-Ti); No existen
diferencias estadísticamente significativas entre aquellos niveles que compartan una
misma columna de X.
El método empleado actualmente para discriminar entre las medias es el procedimiento
de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher, con este método hay un riesgo del
5,0% al decir que cada par de medias es significativamente diferente, a continuación en
la figura 4.17 se muestra una gráfica de medias y LSD para la concentración de biomasa
generada usando MFCs.
0
50
100
150
200
250
300
350
DQO Alto/Ni-Ti DQO Bajo/Ni-Ti DQO Alto/Cobre DQO Bajo/Cobre
mg
Bio
mas
a/L
AR
Ds Concentración de Biomasa Generada
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3
50
Figura 4.17 Gráfica de medias y de diferencia mínima significativa (LSD) para la
concentración de biomasa generada usando MFCs.
Como se puede observar en la figura 4.17 mediante la prueba de LSD no existe
diferencia significativa entre las muestras y variables, por lo que se procede a realizar
un promedio en la cuantificación de macronutrientes de la biomasa generada usando
MFCs.
4.2.2 Cuantificación de macronutrientes (N, P y K).
A continuación se observa la cantidad en promedio de macronutrientes obtenidos en la
biomasa microbiana.
Tabla 4-1623Promedio de la cuantificación de N, P y K expresado en unidades en mg
macronutrientes/kg biomasa usando MFCs.
Cuantificación
Macroelementos
mg N/ kg
biomasa
mg P/kg
biomasa
mg K/kg
biomasa
Ni-Ti/DQO Alto 231,936 13172,283 7680,117
Ni-Ti/DQO Bajo 229,382 10595,138 1627,228
Cobre/DQO Alto 352,383 32982,688 8506,704
Cobre/DQO Bajo 178,530 29939,33 2039,560
Como se puede observar en la Tabla 4.16 existe más cantidad de elementos a
concentración de DQO Alto y conexión de cobre.
Con respecto a la cuantificación de elementos, se puede ver una considerable cantidad
de fósforo en el tratamiento con MFCs, esto puede deberse posiblemente a su contenido
en las bacterias (materia celular) ya que estas tienen fosfolípidos; además se puede
observar una cantidad muy escaza de N en la biomasa, esto puede deberse a muchas
razones, el metabolismo microbiano, procesos de óxido-reducción en el tratamiento de
ARDs; y por último una cantidad apreciable de K propia de las ARDs y nutriente de las
bacterias.
mg
Bio
ma
sa
/L A
RD
s
DQO alto Ni-Ti DQO bajo Ni-Ti DQO alto Cobre DQO bajo Cobre
Medias y 95,0% de Fisher LSD
250
270
290
310
330
51
Según (Roma, 2002) se entiende como Biofertilizante a “cualquier material natural que
contenga al menos cinco por ciento de uno o más de los tres nutrientes primarios (N,
P2O5, K2O)”, a continuación se muestran los siguientes factores de conversión:
Para Nitrógeno
Para Fósforo
Para Potasio
En la siguiente Tabla 4.17 se muestran los porcentajes de N, P2O5, K2O calculados de la
cuantificación de macronutrientes usando MFCs.
Tabla 4-17 24Porcentaje promedio de la cuantificación de N, P y K expresado en unidades %
N, % P2O5, % K2O.
% N % P2O5 % K2O
Ni-Ti/DQO Alto 0,023 1,317 0,768
Ni-Ti/DQO Bajo 0,023 1,06 0,163
Cobre/DQO Alto 0,035 3,298 0,851
Cobre/DQO Bajo 0,018 2,994 0,204
Como se puede observar en la tabla 4.17 (resaltado en amarillo) al evaluar celdas
armadas con concentración inicial de DQO alta y conexión de cobre se obtiene el mayor
porcentaje de N- P2O5-K2O siendo este de 0,035%, 3.298% y 0.851% respectivamente,
valores que a pesar de ser bajos con respecto a los necesarios para ser considerados
como “biofertilizantes” son rica fuente de fósforo, y que además se han obtenido al usar
esta tecnología nueva y de bajo costo.
52
CAPITULO V
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones
Con respecto a la evaluación de la biomasa generada el contenido de N, P y K más
alto es a partir de DQO alto usando como conexión alambre de cobre, siendo esta
biomasa con un contenido de nitrógeno de 352,38 mg N/kg biomasa, con respecto
al fósforo de 32982,66 mg P/kg biomasa y potasio de 8506.7 mg K/kg biomasa
demostrándose así que este tipo de tratamiento es una buena fuente de fósforo.
De acuerdo al contenido de N, P y K de la biomasa generada esta se podría usar
como aditivo de abono agrícola, tomando en cuenta que los requerimientos de N, P
y K en las plantas tiene que ser al menos del 5% en N- P2O5-K2O, en esta
investigación fue de 0,035%, 3.298% y 0.851% respectivamente.
Es factible utilizar MFCs para degradar agua residual doméstica de la planta de
tratamiento del barrio Ubillus ubicado en la Parroquia de Pintag en el Distrito
Metropolitano de Quito obteniéndose un porcentaje de remoción de contaminantes
(remoción de DQO) de 77% en DQO alto (iniciando con una concentración inicial
de descarga de DQO de 778 mg/L) y de 44,58% en DQO bajo (iniciando con una
concentración inicial de descarga de DQO de 371,23 mg/L); además se obtiene en
promedio una concentración final de DQO en el tratamiento de ARDs de 178,89
mg/L los cuales con respecto a la “Norma de Calidad Ambiental y de descarga de
efluentes: recurso agua” entran dentro del límite permisible para poder descargar
este tipo de aguas a los efluentes naturales.
Se ha demostrado que las mejores condiciones para la extracción de energía
eléctrica de las MFCs son de 34,25% en eficiencia coulúmbica usando DQO/Bajo y
Cobre; 24,388 mW/m2 en densidad de potencia usando DQO/Alto y Ni-Ti y 548
mV en producción de potencial usando DQO/Alto y Ni-Ti, siendo estos los mejores
valores.
Los mejores resultados con respecto a la cuantificación de biomasa fueron a DQO
alto y alambre de Ni-Ti con una concentración en promedio de 317,33 mg/L ARDs
y de 284 mg/L ARDs usando DQO/Bajo y Ni-Ti. Demostrándose que la mejor
concentración de biomasa se obtiene al usar DQO/Alto.
53
5.2 Recomendaciones
Con respecto a la arquitectura de las MFCs probar nuevos materiales, como
material de plástico (PVC), distintos tipos de membranas intercambiadoras de
protones, entre otras.
Utilizar catalizadores reductores de oxígeno en el cátodo para posteriores
investigaciones usando MFCs en el tratamiento de ARDs.
Con respecto al ensamblaje de las MFCs se recomienda cerrar el circuito de la
MFC de la manera más efectiva con la resistencia externa adecuada ya que la
pérdida de electrones en un intervalo de tiempo prolongado afectará a la
generación de electricidad en cada MFC, con respecto a la degradación de DQO
se recomienda al medir el DQO usar una misma solución ácida y digestora en
toda la experimentación, ya que la mínima variación en esta preparación afecta
notablemente los valores de DQO.
Estudiar multímetros con tarjetas electrónicas para poder ver el comportamiento
en tiempo real de cada MFC.
Realizar un análisis de carbono total (TOC) en la biomasa generada en el
tratamiento de ARDs usando MFCs.
En el proceso de experimentación, el montaje de MFCs tiende a ser crucial, ya
que se pretende trabajar en un ambiente anaerobio, por lo tanto se recomienda
usar gas CO2 en flujo constante por alrededor de 3 minutos en la cámara anódica
antes del ensamblaje de las MFCs clásicas.
Además, con respecto a la cuantificación de la biomasa generada, se recomienda
secar en la estufa a 90°C para eliminar la humedad, y realizar los análisis en un
tiempo de espera máximo de 3 días, ya que después de este tiempo la
composición inicial de biomasa varia por la presencia de aire en el ambiente.
Realizar un estudio de bioabsorcion in vitro de la biomasa cuantificada para
estudiar su comportamiento en un suelo específico.
Realizar un estudio microbiológico de las ARDs previa experimentación con
MFCs.
54
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56
ANEXOS
Anexo A Esquema Causa-Efecto
Descarga de ARDs sin
tratamiento.
Elevado costo de
abonos agrícolas
Cultivos con
poca calidad
Menos ingreso
económico con
respecto a la
agricultura
Cultivos de
pobre calidad Poco uso de abonos,
deficiencia de
nutrientes para la
planta
Contaminación de
efluentes Naturales
Contaminación
del Suelo
Pobre calidad del
suelo
Contaminación
del Agro
Elevado costo para
tratamiento de ARDs
Descarga sin
tratamiento
57
Anexo B Diagrama de Flujo (Parte Experimental)
RECOLECTARE1, I1
FILTRARD1, D2
PREPARAR ELECTRODOS
E2, I2
PREPARAR CELDASD3,D4,D5 D6,I3,E3
ANALIZAR CELDAS
RECOLECTAR BIOMASA
A
I4,E4
I5
58
A
TRATAMIENTOI5, E6
CUANTIFICACION I6, E7
ESPECIFICACIONES INDICACIONES MATERIALES
E1 Agua Residual
Doméstica Parroquia de
Pintac
E2 Electrodos de Grafito
E3 Agua residual en
ambiente anaerobio
E4 Producción de
Bioelectricidad
E5 De Cada MFC
E6 Pretratamiento Biomasa
obtenida por MFCs
E7 Métodos físicos y/o
químicos
I1 Muestreo, Recolección.
I2 tratamiento, Alambres
de Ni-Ti.
I3 Armar celdas
I4 Análisis de DQO en
cada MFC
I5 Biomasa Obtenida en el
Tratamiento usando MFCs
I6 Cuantificación N, K, P.
D1 Embudo
D2 Gasa
D3 Matraz (50 ml)
D4 Puente Salino
D5 Tapones
59
Anexo C Instrumento de Recolección de Datos.
Comportamiento de Degradación del Agua Residual Doméstica.
Día Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes
Ppm DQO
DQO ALTO
DQO BAJO
Voltaje Producido por MFCs
Días
MFCs Lunes
(mV)
Martes
(mV)
Miércoles
(mV)
Jueves
(mV)
Viernes
(mV)
DQO
ALTO
DQO
BAJO
Biomasa Generada por MFCs
MFCs Peso (mg)
DQO ALTO
DQO BAJO
60
Cuantificación de N, K, P de la biomasa Producida por MFCs
N (mg/Kg muestra) K (mg/Kg muestra) P (mg/Kg muestra)
DQO
BAJO
DQO
ALTO
Anexo D Validación DQO
Se procedió a realizar una calibración lineal con residuos
Tabla 5-1 Valores curva de calibración
KHF
(mg/L)
Abs KHF
(mg/L)
Abs KHF
(mg/L)
Abs
100 0,019 400 0,182 700 0,198
100 0,057 400 0,154 800 0,254
100 0,024 400 0,074 800 0,337
100 -0,051 500 0,167 800 0,279
200 0,058 500 0,178 800 0,228
200 0,12 500 0,103 900 0,329
200 0,047 600 0,2 900 0,359
300 0,097 600 0,194 900 0,294
300 0,125 600 0,184 900 0,261
300 0,065 600 0,143 1000 0,341
300 0,022 700 0,316 1000 0,337
400 0,153 700 0,244 1000 0,311
Análisis de la regresión lineal
61
Curva de calibración
Prueba no paramétrica de rachas
mediana= 0,003610866
n= 37 datos
n1= 19
por debajo de la
mediana
n2= 18
por encima de la
mediana
Rachas: Observadas
mínimo
aceptable
máximo
aceptable
18 13 126
Resultado:
LOS RESIDUOS SON ALEATORIOS, LOS DATOS SI SE
AJUSTAN A LA RECTA
62
ANEXO E Tablas de Polarización
Tabla 5-2
Celda: MFC Ni-Ti
DQO: Alto
Muestra: 1
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 0 1 1 1 1 0 0,01 0,01 0,01 0,01 0 0,011 0,011 0,011 0,011 0 0,106 0,106 0,106 0,106
300 1 4 3 4 2 0,0033 0,0133 0,01 0,0133 0,0067 0,004 0,014 0,011 0,014 0,007 0,035 0,567 0,319 0,567 0,142
510 2 8 6 6 7 0,0039 0,0157 0,0118 0,0118 0,0137 0,004 0,017 0,013 0,013 0,015 0,083 1,335 0,751 0,751 1,022
820 3 12 10 10 11 0,0037 0,0146 0,0122 0,0122 0,0134 0,004 0,016 0,013 0,013 0,014 0,117 1,868 1,297 1,297 1,57
1500 5 21 17 18 18 0,0033 0,014 0,0113 0,012 0,012 0,004 0,015 0,012 0,013 0,013 0,177 3,128 2,05 2,298 2,298
2200 8 30 24 27 28 0,0036 0,0136 0,0109 0,0123 0,0127 0,004 0,015 0,012 0,013 0,014 0,309 4,352 2,785 3,525 3,791
3000 9 40 33 36 37 0,003 0,0133 0,011 0,012 0,0123 0,003 0,014 0,012 0,013 0,013 0,287 5,674 3,862 4,596 4,855
5100 18 64 51 56 56 0,0035 0,0125 0,01 0,011 0,011 0,004 0,013 0,011 0,012 0,012 0,676 8,544 5,426 6,542 6,542
10000 39 109 87 92 91 0,0039 0,0109 0,0087 0,0092 0,0091 0,004 0,012 0,009 0,01 0,01 1,618 12,639 8,052 9,004 8,81
15000 63 139 118 122 119 0,0042 0,0093 0,0079 0,0081 0,0079 0,004 0,01 0,008 0,009 0,008 2,815 13,703 9,875 10,556 10,043
20000 77 150 135 138 134 0,0039 0,0075 0,0068 0,0069 0,0067 0,004 0,008 0,007 0,007 0,007 3,154 11,968 9,694 10,13 9,551
51000 143 253 202 197 190 0,0028 0,005 0,004 0,0039 0,0037 0,003 0,005 0,004 0,004 0,004 4,266 13,352 8,511 8,095 7,53
1000000 220 274 237 228 216 0,0002 0,0003 0,0002 0,0002 0,0002 0 0 0 0 0 0,515 0,799 0,598 0,553 0,496
63
Tabla 5-3
Celda: MFC Ni-Ti
DQO: Alto
Muestra: 2
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 2 3 2 1 1 0,0200 0,0300 0,0200 0,0100 0,0100 0,021 0,032 0,021 0,011 0,011 0,426 0,957 0,426 0,106 0,106
300 8 8 4 5 4 0,0267 0,0267 0,0133 0,0167 0,0133 0,028 0,028 0,014 0,018 0,014 2,270 2,270 0,567 0,887 0,567
510 14 14 9 9 7 0,0275 0,0275 0,0176 0,0176 0,0137 0,029 0,029 0,019 0,019 0,015 4,088 4,088 1,690 1,690 1,022
820 21 22 14 14 11 0,0256 0,0268 0,0171 0,0171 0,0134 0,027 0,029 0,018 0,018 0,014 5,721 6,279 2,543 2,543 1,570
1500 41 37 15 24 20 0,0273 0,0247 0,0100 0,0160 0,0133 0,029 0,026 0,011 0,017 0,014 11,922 9,709 1,596 4,085 2,837
2200 58 52 22 33 28 0,0264 0,0236 0,0100 0,0150 0,0127 0,028 0,025 0,011 0,016 0,014 16,267 13,075 2,340 5,266 3,791
3000 71 65 30 40 38 0,0237 0,0217 0,0100 0,0133 0,0127 0,025 0,023 0,011 0,014 0,013 17,876 14,982 3,191 5,674 5,121
5100 112 92 50 55 57 0,0220 0,0180 0,0098 0,0108 0,0112 0,023 0,019 0,010 0,011 0,012 26,166 17,655 5,215 6,310 6,777
10000 180 131 66 84 92 0,0180 0,0131 0,0066 0,0084 0,0092 0,019 0,014 0,007 0,009 0,010 34,468 18,256 4,634 7,506 9,004
15000 237 157 73 98 114 0,0158 0,0105 0,0049 0,0065 0,0076 0,017 0,011 0,005 0,007 0,008 39,836 17,482 3,779 6,811 9,217
20000 274 151 88 108 131 0,0137 0,0076 0,0044 0,0054 0,0066 0,015 0,008 0,005 0,006 0,007 39,934 12,128 4,119 6,204 9,128
51000 367 207 122 126 177 0,0072 0,0041 0,0024 0,0025 0,0035 0,008 0,004 0,003 0,003 0,004 28,095 8,938 3,105 3,312 6,535
1000000 425 223 143 137 197 0,0004 0,0002 0,0001 0,0001 0,0002 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,922 0,529 0,218 0,200 0,413
64
Tabla 5-4
Celda: MFC Ni-Ti
DQO: Alto
Muestra: 3
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 3 2 2 1 1 0,0300 0,0200 0,0200 0,0100 0,0100 0,032 0,021 0,021 0,011 0,011 0,957 0,426 0,426 0,106 0,106
300 8 5 6 5 3 0,0267 0,0167 0,0200 0,0167 0,0100 0,028 0,018 0,021 0,018 0,011 2,270 0,887 1,277 0,887 0,319
510 14 9 10 9 9 0,0275 0,0176 0,0196 0,0176 0,0176 0,029 0,019 0,021 0,019 0,019 4,088 1,690 2,086 1,690 1,690
820 22 15 16 14 10 0,0268 0,0183 0,0195 0,0171 0,0122 0,029 0,019 0,021 0,018 0,013 6,279 2,919 3,321 2,543 1,297
1500 39 25 26 25 15 0,0260 0,0167 0,0173 0,0167 0,0100 0,028 0,018 0,018 0,018 0,011 10,787 4,433 4,794 4,433 1,596
2200 55 36 38 34 32 0,0250 0,0164 0,0173 0,0155 0,0145 0,027 0,017 0,018 0,016 0,015 14,628 6,267 6,983 5,590 4,952
3000 74 48 48 40 35 0,0247 0,0160 0,0160 0,0133 0,0117 0,026 0,017 0,017 0,014 0,012 19,418 8,170 8,170 5,674 4,344
5100 104 71 70 60 59 0,0204 0,0139 0,0137 0,0118 0,0116 0,022 0,015 0,015 0,013 0,012 22,562 10,515 10,221 7,509 7,261
10000 165 107 103 77 75 0,0165 0,0107 0,0103 0,0077 0,0075 0,018 0,011 0,011 0,008 0,008 28,963 12,180 11,286 6,307 5,984
15000 196 129 121 93 94 0,0131 0,0086 0,0081 0,0062 0,0063 0,014 0,009 0,009 0,007 0,007 27,245 11,802 10,384 6,134 6,267
20000 232 146 135 115 111 0,0116 0,0073 0,0068 0,0058 0,0056 0,012 0,008 0,007 0,006 0,006 28,630 11,338 9,694 7,035 6,554
51000 312 189 165 143 137 0,0061 0,0037 0,0032 0,0028 0,0027 0,007 0,004 0,003 0,003 0,003 20,305 7,451 5,679 4,266 3,915
1000000 327 209 178 155 148 0,0003 0,0002 0,0002 0,0002 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,138 0,465 0,337 0,256 0,233
65
Tabla 5-5
Celda: MFC Ni-Ti
DQO: Bajo
Muestra: 1
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 3 3 2 1 1 0,0300 0,0300 0,0200 0,0100 0,0100 0,032 0,032 0,021 0,011 0,011 0,957 0,957 0,426 0,106 0,106
300 8 8 6 5 3 0,0267 0,0267 0,0200 0,0167 0,0100 0,028 0,028 0,021 0,018 0,011 2,270 2,270 1,277 0,887 0,319
510 18 14 11 9 6 0,0353 0,0275 0,0216 0,0176 0,0118 0,038 0,029 0,023 0,019 0,013 6,758 4,088 2,524 1,690 0,751
820 29 22 21 14 9 0,0354 0,0268 0,0256 0,0171 0,0110 0,038 0,029 0,027 0,018 0,012 10,911 6,279 5,721 2,543 1,051
1500 49 37 34 24 15 0,0327 0,0247 0,0227 0,0160 0,0100 0,035 0,026 0,024 0,017 0,011 17,028 9,709 8,199 4,085 1,596
2200 68 52 51 33 21 0,0309 0,0236 0,0232 0,0150 0,0095 0,033 0,025 0,025 0,016 0,010 22,360 13,075 12,577 5,266 2,132
3000 88 65 60 40 29 0,0293 0,0217 0,0200 0,0133 0,0097 0,031 0,023 0,021 0,014 0,010 27,461 14,982 12,766 5,674 2,982
5100 130 92 91 55 44 0,0255 0,0180 0,0178 0,0108 0,0086 0,027 0,019 0,019 0,011 0,009 35,252 17,655 17,274 6,310 4,038
10000 194 131 128 84 61 0,0194 0,0131 0,0128 0,0084 0,0061 0,021 0,014 0,014 0,009 0,006 40,038 18,256 3,000 7,506 3,000
15000 237 157 143 98 72 0,0158 0,0105 0,0095 0,0065 0,0048 0,017 0,011 0,010 0,007 0,005 39,836 17,482 14,503 6,811 3,677
20000 265 151 160 108 79 0,0133 0,0076 0,0080 0,0054 0,0040 0,014 0,008 0,009 0,006 0,004 37,354 12,128 13,617 6,204 3,320
51000 337 207 188 126 97 0,0066 0,0041 0,0037 0,0025 0,0019 0,007 0,004 0,004 0,003 0,002 23,690 8,938 7,373 3,312 1,963
1000000 368 223 214 137 105 0,0004 0,0002 0,0002 0,0001 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,441 0,529 0,487 0,200 0,117
66
Tabla 5-6
Celda: MFC Ni-Ti
DQO: Bajo
Muestra: 2
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 1 2 1 1 1 0,0100 0,0200 0,0100 0,0100 0,0100 0,011 0,021 0,011 0,011 0,011 0,106 0,426 0,106 0,106 0,106
300 3 6 3 3 2 0,0100 0,0200 0,0100 0,0100 0,0067 0,011 0,021 0,011 0,011 0,007 0,319 1,277 0,319 0,319 0,142
510 5 10 6 9 6 0,0098 0,0196 0,0118 0,0176 0,0118 0,010 0,021 0,013 0,019 0,013 0,521 2,086 0,751 1,690 0,751
820 9 16 10 10 8 0,0110 0,0195 0,0122 0,0122 0,0098 0,012 0,021 0,013 0,013 0,010 1,051 3,321 1,297 1,297 0,830
1500 16 26 13 15 14 0,0107 0,0173 0,0087 0,0100 0,0093 0,011 0,018 0,009 0,011 0,010 1,816 4,794 1,199 1,596 1,390
2200 23 38 24 32 28 0,0105 0,0173 0,0109 0,0145 0,0127 0,011 0,018 0,012 0,015 0,014 2,558 6,983 2,785 4,952 3,791
3000 31 48 31 35 31 0,0103 0,0160 0,0103 0,0117 0,0103 0,011 0,017 0,011 0,012 0,011 3,408 8,170 3,408 4,344 3,408
5100 50 70 49 59 54 0,0098 0,0137 0,0096 0,0116 0,0106 0,010 0,015 0,010 0,012 0,011 5,215 10,221 5,008 7,261 6,083
10000 86 103 78 85 81 0,0086 0,0103 0,0078 0,0085 0,0081 0,009 0,011 0,008 0,009 0,009 7,868 11,286 6,472 7,686 6,980
15000 118 121 98 94 90 0,0079 0,0081 0,0065 0,0063 0,0060 0,008 0,009 0,007 0,007 0,006 9,875 10,384 6,811 6,267 5,745
20000 141 135 114 111 104 0,0071 0,0068 0,0057 0,0056 0,0052 0,008 0,007 0,006 0,006 0,006 10,575 9,694 6,913 6,554 5,753
51000 228 165 155 137 131 0,0045 0,0032 0,0030 0,0027 0,0026 0,005 0,003 0,003 0,003 0,003 10,844 5,679 5,011 3,915 3,580
1000000 283 178 172 148 139 0,0003 0,0002 0,0002 0,0001 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,852 0,337 0,315 0,233 0,206
67
Tabla 5-7
Celda: MFC Ni-Ti
DQO: Bajo
Muestra: 3
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 1 0 0 1 0 0,0100 0,0000 0,0000 0,0100 0,0000 0,011 0,000 0,000 0,011 0,000 0,106 0,000 0,000 0,106 0,000
300 2 1 1 2 1 0,0067 0,0033 0,0033 0,0067 0,0033 0,007 0,004 0,004 0,007 0,004 0,142 0,035 0,035 0,142 0,035
510 3 3 2 4 3 0,0059 0,0059 0,0039 0,0078 0,0059 0,006 0,006 0,004 0,008 0,006 0,188 0,188 0,083 0,334 0,188
820 5 6 3 5 4 0,0061 0,0073 0,0037 0,0061 0,0049 0,006 0,008 0,004 0,006 0,005 0,324 0,467 0,117 0,324 0,208
1500 9 10 6 9 8 0,0060 0,0067 0,0040 0,0060 0,0053 0,006 0,007 0,004 0,006 0,006 0,574 0,709 0,255 0,574 0,454
2200 12 15 10 14 13 0,0055 0,0068 0,0045 0,0064 0,0059 0,006 0,007 0,005 0,007 0,006 0,696 1,088 0,484 0,948 0,817
3000 19 21 14 19 17 0,0063 0,0070 0,0047 0,0063 0,0057 0,007 0,007 0,005 0,007 0,006 1,280 1,564 0,695 1,280 1,025
5100 30 32 20 30 28 0,0059 0,0063 0,0039 0,0059 0,0055 0,006 0,007 0,004 0,006 0,006 1,877 2,136 0,834 1,877 1,635
10000 52 56 42 52 51 0,0052 0,0056 0,0042 0,0052 0,0051 0,006 0,006 0,004 0,006 0,005 2,877 3,336 1,877 2,877 2,767
15000 71 76 57 71 68 0,0047 0,0051 0,0038 0,0047 0,0045 0,005 0,005 0,004 0,005 0,005 3,575 4,096 2,304 3,575 3,279
20000 88 92 63 86 79 0,0044 0,0046 0,0032 0,0043 0,0040 0,005 0,005 0,003 0,005 0,004 4,119 4,502 2,111 3,934 3,320
51000 143 150 130 139 128 0,0028 0,0029 0,0025 0,0027 0,0025 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 4,266 4,693 3,525 4,030 3,418
1000000 199 184 166 142 137 0,0002 0,0002 0,0002 0,0001 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,421 0,360 0,293 0,215 0,200
68
Tabla 5-8
Celda: MFC Cobre
DQO: Alto
Muestra: 1
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 0 0 0 0 0 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
300 1 1 1 1 1 0,0033 0,0033 0,0033 0,0033 0,0033 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035
510 3 2 2 2 2 0,0059 0,0039 0,0039 0,0039 0,0039 0,006 0,006 0,004 0,004 0,004 0,188 0,083 0,083 0,083 0,083
820 4 3 3 3 3 0,0049 0,0037 0,0037 0,0037 0,0037 0,005 0,008 0,004 0,004 0,004 0,208 0,117 0,117 0,117 0,117
1500 5 6 4 4 4 0,0033 0,0040 0,0027 0,0027 0,0027 0,004 0,007 0,003 0,003 0,003 0,177 0,255 0,113 0,113 0,113
2200 7 8 5 6 6 0,0032 0,0036 0,0023 0,0027 0,0027 0,003 0,007 0,002 0,003 0,003 0,237 0,309 0,121 0,174 0,174
3000 9 11 7 7 8 0,0030 0,0037 0,0023 0,0023 0,0027 0,003 0,007 0,002 0,002 0,003 0,287 0,429 0,174 0,174 0,227
5100 15 19 15 12 11 0,0029 0,0037 0,0029 0,0024 0,0022 0,003 0,007 0,003 0,003 0,002 0,469 0,753 0,469 0,300 0,252
10000 19 35 30 27 16 0,0019 0,0035 0,0030 0,0027 0,0016 0,002 0,006 0,003 0,003 0,002 0,384 1,303 3,000 0,776 3,000
15000 44 49 38 34 18 0,0029 0,0033 0,0025 0,0023 0,0012 0,003 0,005 0,003 0,002 0,001 1,373 1,703 1,024 0,820 0,230
20000 59 63 49 45 24 0,0030 0,0032 0,0025 0,0023 0,0012 0,003 0,005 0,003 0,002 0,001 1,852 2,111 1,277 1,077 0,306
51000 128 111 110 101 98 0,0025 0,0022 0,0022 0,0020 0,0019 0,003 0,003 0,002 0,002 0,002 3,418 2,570 2,524 2,128 2,003
1000000 195 173 146 135 134 0,0002 0,0002 0,0001 0,0001 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,405 0,318 0,227 0,194 0,191
69
Tabla 5-9
Celda: MFC Cobre
DQO: Alto
Muestra: 2
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 0 1 1 0 0 0,0000 0,0100 0,0100 0,0000 0,0000 0,000 0,011 0,011 0,000 0,000 0,000 0,106 0,106 0,000 0,000
300 1 2 2 1 1 0,0033 0,0067 0,0067 0,0033 0,0033 0,004 0,007 0,007 0,004 0,004 0,035 0,142 0,142 0,035 0,035
510 2 3 3 2 2 0,0039 0,0059 0,0059 0,0039 0,0039 0,004 0,006 0,006 0,004 0,004 0,083 0,188 0,188 0,083 0,083
820 4 5 5 4 3 0,0049 0,0061 0,0061 0,0049 0,0037 0,005 0,006 0,006 0,005 0,004 0,208 0,324 0,324 0,208 0,117
1500 7 10 9 7 5 0,0047 0,0067 0,0060 0,0047 0,0033 0,005 0,007 0,006 0,005 0,004 0,348 0,709 0,574 0,348 0,177
2200 11 11 13 11 10 0,0050 0,0050 0,0059 0,0050 0,0045 0,005 0,005 0,006 0,005 0,005 0,585 0,585 0,817 0,585 0,484
3000 14 15 18 15 14 0,0047 0,0050 0,0060 0,0050 0,0047 0,005 0,005 0,006 0,005 0,005 0,695 0,798 1,149 0,798 0,695
5100 24 24 30 24 21 0,0047 0,0047 0,0059 0,0047 0,0041 0,005 0,005 0,006 0,005 0,004 1,202 1,202 1,877 1,202 0,920
10000 47 52 52 47 42 0,0047 0,0052 0,0052 0,0047 0,0042 0,005 0,006 0,006 0,005 0,004 2,350 2,877 2,877 2,350 1,877
15000 66 66 71 65 60 0,0044 0,0044 0,0047 0,0043 0,0040 0,005 0,005 0,005 0,005 0,004 3,089 3,089 3,575 2,996 2,553
20000 81 81 89 80 72 0,0041 0,0041 0,0045 0,0040 0,0036 0,004 0,004 0,005 0,004 0,004 3,490 3,490 4,213 3,404 2,757
51000 170 167 149 134 130 0,0033 0,0033 0,0029 0,0026 0,0025 0,004 0,003 0,003 0,003 0,003 6,028 5,817 4,631 3,746 3,525
1000000 241 214 174 157 148 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,618 0,487 0,322 0,262 0,233
70
Tabla 5-10
Celda: MFC Cobre
DQO: Alto
Muestra: 3
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 0 1 1 1 1 0,0000 0,0100 0,0100 0,0100 0,0100 0,000 0,011 0,011 0,011 0,011 0,000 0,106 0,106 0,106 0,106
300 1 2 2 2 2 0,0033 0,0067 0,0067 0,0067 0,0067 0,004 0,007 0,007 0,007 0,007 0,035 0,142 0,142 0,142 0,142
510 2 3 3 4 3 0,0039 0,0059 0,0059 0,0078 0,0059 0,004 0,006 0,006 0,008 0,006 0,083 0,188 0,188 0,334 0,188
820 4 6 5 5 4 0,0049 0,0073 0,0061 0,0061 0,0049 0,005 0,008 0,006 0,006 0,005 0,208 0,467 0,324 0,324 0,208
1500 7 10 9 9 8 0,0047 0,0067 0,0060 0,0060 0,0053 0,005 0,007 0,006 0,006 0,006 0,348 0,709 0,574 0,574 0,454
2200 10 12 11 14 11 0,0045 0,0055 0,0050 0,0064 0,0050 0,005 0,006 0,005 0,007 0,005 0,484 0,696 0,585 0,948 0,585
3000 14 16 13 19 14 0,0047 0,0053 0,0043 0,0063 0,0047 0,005 0,006 0,005 0,007 0,005 0,695 0,908 0,599 1,280 0,695
5100 23 25 18 30 28 0,0045 0,0049 0,0035 0,0059 0,0055 0,005 0,005 0,004 0,006 0,006 1,103 1,304 0,676 1,877 1,635
10000 44 54 36 52 48 0,0044 0,0054 0,0036 0,0052 0,0048 0,005 0,006 0,004 0,006 0,005 2,060 3,102 1,379 2,877 2,451
15000 65 68 79 71 70 0,0043 0,0045 0,0053 0,0047 0,0047 0,005 0,005 0,006 0,005 0,005 2,996 3,279 4,426 3,575 3,475
20000 84 92 92 86 74 0,0042 0,0046 0,0046 0,0043 0,0037 0,004 0,005 0,005 0,005 0,004 3,753 4,502 4,502 3,934 2,913
51000 178 174 121 139 125 0,0035 0,0034 0,0024 0,0027 0,0025 0,004 0,004 0,003 0,003 0,003 6,609 6,315 3,054 4,030 3,259
1000000 266 199 143 142 132 0,0003 0,0002 0,0001 0,0001 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,753 0,421 0,218 0,215 0,185
71
Tabla 5-11
Celda: MFC Cobre
DQO: Bajo
Muestra: 1
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 3 1 1 1 1 0,0300 0,0100 0,0100 0,0100 0,0100 0,032 0,011 0,011 0,011 0,011 0,957 0,106 0,106 0,106 0,106
300 4 2 2 2 2 0,0133 0,0067 0,0067 0,0067 0,0067 0,014 0,007 0,007 0,007 0,007 0,567 0,142 0,142 0,142 0,142
510 8 4 5 3 4 0,0157 0,0078 0,0098 0,0059 0,0078 0,017 0,008 0,010 0,006 0,008 1,335 0,334 0,521 0,188 0,334
820 12 9 7 5 7 0,0146 0,0110 0,0085 0,0061 0,0085 0,016 0,012 0,009 0,006 0,009 1,868 1,051 0,636 0,324 0,636
1500 25 21 10 9 9 0,0167 0,0140 0,0067 0,0060 0,0060 0,018 0,015 0,007 0,006 0,006 4,433 3,128 0,709 0,574 0,574
2200 37 32 18 15 13 0,0168 0,0145 0,0082 0,0068 0,0059 0,018 0,015 0,009 0,007 0,006 6,620 4,952 1,567 1,088 0,817
3000 47 40 25 21 25 0,0157 0,0133 0,0083 0,0070 0,0083 0,017 0,014 0,009 0,007 0,009 7,833 5,674 2,216 1,564 2,216
5100 71 63 41 37 37 0,0139 0,0124 0,0080 0,0073 0,0073 0,015 0,013 0,009 0,008 0,008 10,515 8,279 3,506 2,856 2,856
10000 103 91 55 50 55 0,0103 0,0091 0,0055 0,0050 0,0055 0,011 0,010 0,006 0,005 0,006 11,286 8,810 3,000 2,660 3,000
15000 124 114 71 66 56 0,0083 0,0076 0,0047 0,0044 0,0037 0,009 0,008 0,005 0,005 0,004 10,905 9,217 3,575 3,089 2,224
20000 139 132 83 80 72 0,0070 0,0066 0,0042 0,0040 0,0036 0,007 0,007 0,004 0,004 0,004 10,277 9,268 3,664 3,404 2,757
51000 162 152 94 91 93 0,0032 0,0030 0,0018 0,0018 0,0018 0,003 0,003 0,002 0,002 0,002 5,474 4,819 1,843 1,727 1,804
1000000 209 201 113 110 105 0,0002 0,0002 0,0001 0,0001 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,465 0,430 0,136 0,129 0,117
72
Tabla 5-12
Celda: MFC Cobre
DQO: Bajo
Muestra: 2
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 0 1 0 0 0 0,0000 0,0100 0,0000 0,0000 0,011 0,000 0,011 0,000 0,000 0,000 0,000 0,106 0,000 0,000 0,000
300 1 2 1 0 1 0,0033 0,0067 0,0033 0,0000 0,007 0,004 0,007 0,004 0,000 0,004 0,035 0,142 0,035 0,000 0,035
510 2 4 3 1 5 0,0039 0,0078 0,0059 0,0020 0,008 0,004 0,008 0,006 0,002 0,010 0,083 0,334 0,188 0,021 0,521
820 4 5 4 2 8 0,0049 0,0061 0,0049 0,0024 0,009 0,005 0,006 0,005 0,003 0,010 0,208 0,324 0,208 0,052 0,830
1500 5 8 7 3 11 0,0033 0,0053 0,0047 0,0020 0,006 0,004 0,006 0,005 0,002 0,008 0,177 0,454 0,348 0,064 0,858
2200 8 10 9 4 15 0,0036 0,0045 0,0041 0,0018 0,006 0,004 0,005 0,004 0,002 0,007 0,309 0,484 0,392 0,077 1,088
3000 10 12 11 7 29 0,0033 0,0040 0,0037 0,0023 0,009 0,004 0,004 0,004 0,002 0,010 0,355 0,511 0,429 0,174 2,982
5100 18 18 17 11 40 0,0035 0,0035 0,0033 0,0022 0,008 0,004 0,004 0,004 0,002 0,008 0,676 0,676 0,603 0,252 3,338
10000 32 33 31 21 59 0,0032 0,0033 0,0031 0,0021 0,006 0,003 0,004 0,003 0,002 0,006 1,089 1,159 1,022 0,469 3,703
15000 46 41 38 30 61 0,0031 0,0027 0,0025 0,0020 0,004 0,003 0,003 0,003 0,002 0,004 1,501 1,192 1,024 0,638 2,639
20000 58 51 48 40 71 0,0029 0,0026 0,0024 0,0020 0,004 0,003 0,003 0,003 0,002 0,004 1,789 1,384 1,226 0,851 2,681
51000 90 111 104 76 96 0,0018 0,0022 0,0020 0,0015 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 1,690 2,570 2,256 1,205 1,922
1000000 153 147 137 130 112 0,0002 0,0001 0,0001 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,249 0,230 0,200 0,180 0,133
73
Tabla 5-13
Celda: MFC Cobre
DQO: Bajo
Muestra: 3
Área ánodo: 0,94 cm2
Potencial (mV) Intensidad de corriente (mA) Densidad de corriente (mA/cm2) Densidad de Potencia (mW/m2)
Resistencia
(Ω) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h) 1 (h) 24 (h) 48 (h) 72 (h) 96 (h)
100 3 2 2 1 1 0,0300 0,0200 0,0200 0,0100 0,0100 0,032 0,021 0,021 0,011 0,011 0,957 0,426 0,426 0,106 0,106
300 4 5 4 2 3 0,0133 0,0167 0,0133 0,0067 0,0100 0,014 0,018 0,014 0,007 0,011 0,567 0,887 0,567 0,142 0,319
510 7 7 6 4 4 0,0137 0,0137 0,0118 0,0078 0,0078 0,015 0,015 0,013 0,008 0,008 1,022 1,022 0,751 0,334 0,334
820 14 8 8 6 7 0,0171 0,0098 0,0098 0,0073 0,0085 0,018 0,010 0,010 0,008 0,009 2,543 0,830 0,830 0,467 0,636
1500 19 22 10 8 12 0,0127 0,0147 0,0067 0,0053 0,0080 0,013 0,016 0,007 0,006 0,009 2,560 3,433 0,709 0,454 1,021
2200 28 30 27 13 16 0,0127 0,0136 0,0123 0,0059 0,0073 0,014 0,015 0,013 0,006 0,008 3,791 4,352 3,525 0,817 1,238
3000 38 40 32 18 22 0,0127 0,0133 0,0107 0,0060 0,0073 0,013 0,014 0,011 0,006 0,008 5,121 5,674 3,631 1,149 1,716
5100 57 58 52 28 36 0,0112 0,0114 0,0102 0,0055 0,0071 0,012 0,012 0,011 0,006 0,008 6,777 7,017 5,640 1,635 2,703
10000 96 87 84 50 56 0,0096 0,0087 0,0084 0,0050 0,0056 0,010 0,009 0,009 0,005 0,006 9,804 8,052 7,506 2,660 3,336
15000 124 108 95 68 68 0,0083 0,0072 0,0063 0,0045 0,0045 0,009 0,008 0,007 0,005 0,005 10,905 8,272 6,401 3,279 3,279
20000 146 124 106 81 82 0,0073 0,0062 0,0053 0,0041 0,0041 0,008 0,007 0,006 0,004 0,004 11,338 8,179 5,977 3,490 3,577
51000 207 164 136 122 110 0,0041 0,0032 0,0027 0,0024 0,0022 0,004 0,003 0,003 0,003 0,002 8,938 5,610 3,858 3,105 2,524
1000000 239 169 166 131 126 0,0002 0,0002 0,0002 0,0001 0,0001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,608 0,304 0,293 0,183 0,169
74
Anexos F Curvas de polarización
MUESTRAS DQO ALTO / NITI
Muestra 1
Figura 4.4 Curva de polarización (densidad de potencia vs densidad de corriente),
muestra 1, Ni-Ti a DQO Alto.
Muestra 2
Figura 4.5 Curva de (a) potencial vs densidad de corriente, (b) densidad de potencia vs
densidad de corriente); muestra 2, Ni-Ti a DQO Alto.
0,000
5,000
10,000
15,000
0 0,005 0,01 0,015 0,02
De
nsi
dad
de
po
ten
cia
( m
W/m
2)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 1
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0,3500
0,4000
0,4500
0 0,01 0,02 0,03 0,04
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente mA/cm2
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 50,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
0 0,02 0,04
Den
sid
ad d
e p
ote
nci
a m
W/m
2
Densidad de Corriente mA/cm2
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
75
Muestra 3
Figura 4.6 Curva de (a) potencial vs densidad de corriente, (b) densidad de potencia vs
densidad de corriente); muestra 3, Ni-Ti a DQO Alto.
MUESTRAS DQO BAJO NITI
Muestra 1
Figura 4.7 Curva de (a) potencial vs densidad de corriente, (b) densidad de potencia vs
densidad de corriente); muestra 1, Ni-Ti a DQO Bajo.
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
0 0,01 0,02 0,03 0,04
De
nsi
dad
de
po
ten
cia
mW
/m2
Densidad de corriente mA/cm2
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 50,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0,3500
0 0,01 0,02 0,03 0,04
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente mA/cm2
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0,3500
0,4000
0,000 0,020 0,040 0,060
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente mA/cm2
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 1
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
0 0,02 0,04 0,06
De
nsi
dad
de
Po
ten
cia
mW
/m2
Densidad de corriente mA/cm2
Densidad de Potencia vs Densidad de corriente, Muestra 1
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
76
Muestra 2
Figura 4.8 Curva de (a) potencial vs densidad de corriente, (b) densidad de potencia vs
densidad de corriente); muestra 2, Ni-Ti a DQO Bajo.
Muestra 3
Figura 4.9 Curva de (a) potencial vs densidad de corriente, (b) densidad de potencia vs
densidad de corriente); muestra 3, Ni-Ti a DQO Bajo.
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0 0,01 0,02 0,03
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente mA/cm2
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
0,000 0,010 0,020 0,030
De
nsi
dad
de
Po
ten
cia
mW
/m2
Densidad de corriente mA/cm2
Densidad de Potencia vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0 0,005 0,01 0,015
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente mA/cm2
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
0 0,005 0,01 0,015
De
nsi
dad
de
po
ten
cia
mW
/m2
Densidad de corriente mA/cm2
Densidad de Potencia vs Densidad de corriente,Muestra 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
77
MUESTRAS DQO ALTO / COBRE
Muestra 1
Figura 4.13 Curva de polarización (potencial vs densidad de corriente), muestra 1,
Cobre a DQO Alto.
Muestra 2
Figura 4.14 Curva de polarización (potencial vs densidad de corriente), muestra 2,
Cobre a DQO Alto.
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0 0,005 0,01 0,015
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
0 0,005 0,01 0,015
De
nsi
dad
de
po
ten
cia
(mW
/m2
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0 0,002 0,004 0,006 0,008
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 1
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
-0,500
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
0 0,002 0,004 0,006 0,008
De
nsi
dad
de
Po
ten
cia
(mW
/m2
) Densidad de corriente (mA/cm2)
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 1
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
78
Muestra 3
Figura 4.15 Curva de polarización (potencial vs densidad de corriente), muestra 3,
Cobre a DQO Alto.
MUESTRAS DQO BAJO COBRE
Muestra 1
Figura 4.16 Curva de polarización (potencial vs densidad de corriente), muestra 1,
Cobre a DQO Bajo.
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0 0,005 0,01 0,015
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 50,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
0 0,005 0,01 0,015
De
nsi
dad
de
po
ten
cia
(mW
/m2
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0 0,01 0,02 0,03 0,04
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 1
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
0 0,01 0,02 0,03 0,04
De
nsi
dad
de
po
ten
cia
(mW
/m2
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 1
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
79
Muestra 2
Figura 4.17 Curva de polarización (potencial vs densidad de corriente), muestra 2,
Cobre a DQO Bajo.
Muestra 3
Figura 4.18 Curva de polarización (potencial vs densidad de corriente), muestra 3,
Cobre a DQO Bajo.
-0,0200
0,0000
0,0200
0,0400
0,0600
0,0800
0,1000
0,1200
0,1400
0,1600
0,1800
-0,005 0 0,005 0,01 0,015
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
-0,500
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
-0,005 0 0,005 0,01 0,015
De
nsi
dad
de
Po
ten
cia
(mW
/m2
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 2
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0 0,01 0,02 0,03 0,04
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Potencial vs Densidad de corriente, Muestra 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
0 0,01 0,02 0,03 0,04
De
nsi
dad
de
po
ten
cia
(mW
/m2
)
Densidad de corriente (mA/cm2)
Densidad de potencia vs Densidad de corriente, Muestra 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
80
Anexo G Análisis Medio Ambiental de las ARDs de Ubillus
