Revista
de la
Universidad
del Zulia
Fundada en 1947
por el Dr. Jesús Enrique Lossada
75
ANIVERSARIO
DEPÓSITO LEGAL ZU2020000153
ISSN 0041-8811
E-ISSN 2665-0428
Ciencias
Exactas,
Naturales
y de la Salud
Año 13 N° 37
Mayo - Agosto 2022
Tercera Época
Maracaibo-Venezuela
REVISTA DE LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA. 3ª época. Año 13 N° 37, 2022
M. Castro-Bello et al./// Sistema de monitoreo de reactores empacados para el tratamiento de aguas… 65-75
DOI: http://dx.doi.org/10.46925//rdluz.37.05
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Sistema de monitoreo de reactores empacados para el tratamiento de
aguas residuales con colorantes
M. Castro-Bello *
E.F. Valencia-Díaz **
C.V. Marmolejo-Vega ***
E. Hernández-Ramírez ****
C. Morales-Morales *****
RESUMEN
Este artículo presenta la instrumentación electrónica de un sistema de biofiltración no
convencional, que consta de tres biofiltros aerobios de flujo descendente para controlar el flujo
de entrada/salida del agua residual y monitorear las variables de temperatura y color. Los
biofiltros son usados en la remoción de colorantes tipo Azo, utilizados principalmente en el
teñido de la mezclilla, las cuales debido a sus propiedades es difícil de degradar y son vertidos a
las aguas de los ríos. Cada biofiltro se empacó con diferentes materiales, turba y perlita,
inoculados con lodos aclimatados, para remover color y materia orgánica. Los resultados
logrados consisten en mejorar el procedimiento de recolección y análisis de muestras realizadas
en cada uno de los biofiltros, integrando sensores de color TCS230, sensores de temperatura
PT100, electroválvulas que controlan el influente suministrado a cada uno de los biofiltros y la
interfaz gráfica desarrollada en LabView, encargada de mostrar las mediciones de las variables
físicas. La ventaja de un sistema de biofiltración automatizado es contar con mediciones en
tiempo real y útil para otros estudios de diferente empacado del biofiltro. En este caso se observó
que el biofiltro empacado con mezcla turba perlita presentó mayor remoción de color y materia
orgánica.
PALABRAS CLAVE: Instrumentación electrónica, reactores empacados, interfaz gráfica,
sensores.
*Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico de Chilpancingo, Guerrero, México.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0826-5535.
**Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico de Chilpancingo, Guerrero, México.
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8696-5556.
***Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico de Chilpancingo, Guerrero, México.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2027-5664.
****Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico de Chilpancingo, Guerrero,
México. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0460-1984.
*****Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico de Chilpancingo, Guerrero,
México. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3470-4626. Autor de correspondencia. E-mail:
corneliomoralesmorales@gmail.com
Recibido: 20/01/2022 Aceptado: 16/03/2022
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Packaged Reactor Monitoring System for the Treatment of
Wastewater containing dyes
ABSTRACT
This paper present the electronic instrumentation of an unconventional biofiltration system,
consisting of three downflow aerobic biofilters to control the inflow/outflow of wastewater and
monitoring temperature and color variables. Biofilters are used in the removal of Azo-type dyes,
used mainly in denim dyeing, which due to their properties are difficult to degrade and are
discharged into river waters. Each biofilter was packaged with different materials, peat and
perlite, inoculated with acclimatized sludge, to remove color and organic material. The results
achieved were to improve the sample collection and analysis procedure carried out in each of the
biofilters, integrating TCS230 color sensors, PT100 temperature sensors, solenoid valves that
control the influent supplied to each of the biofilters and the graphical interface developed in
LabView responsible for displaying the measurements of the physical variables. The advantage
of an automated biofiltration system is to have measurements in real time and useful for other
studies of different biofilter packaging. In this case, it was observed that the biofilter packed
with perlite peat mixture presented greater removal of color and organic material.
KEYWORDS: Electronic instrumentation, packaged reactor, graphic interface, sensors.
Introducción
La industria textil a nivel mundial genera una gran cantidad de compuestos químicos
utilizados en el proceso de teñido y deslavado, ocasionando que sus descargas de aguas
residuales tengan un alto contenido de compuestos orgánicos e inorgánicos tóxicos al ambiente
(Katheresan et al., 2018; Pineda Ayala & Durán Herrera, 2019; Premkumar et al., 2018). Los
colorantes que usan contienen diferentes estructuras, las cuales son en mayor abundancia los
colorantes ácidos, básicos, dispersos, azo, diazo, antraquinonas básicas y colorantes-complejo-
metal (Castro-Peña & Durán-Herrera, 2014; Yaseen & Scholz, 2019; Zaruma Arias et al., 2018).
Actualmente, no se conoce exactamente el número de colorantes producidos a nivel mundial,
pero se tiene un estimado de 10,000 colorantes, con una producción mayor a 7105 toneladas y
un aproximado del 5 al 10% del colorante permanece en los efluentes (Saggioro et al., 2011;
Venkata Mohan et al., 2002). El colorante tipo Azo es utilizado en el teñido de la mezclilla y es
tipo azul directo 2, el cual debido a sus propiedades, es difícil de degradar, y su vertido al agua
puede interferir con diversos procesos biológicos que se llevan a cabo en los cuerpos de agua
(Sánchez, 2007).
Por lo tanto, han surgido diferentes tecnologías de reactores empacados, principalmente
el uso de biofiltros implementados en el tratamiento de aguas residuales para la eliminación de
malos olores desprendidos del proceso de remoción de contaminantes (Leson & Winer, 1991; Li
et al., 2019). El proceso de biofiltración consiste en hacer pasar agua contaminada a través de
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un cilindro que contiene como sustrato un empaque de materia orgánica y es ahí donde los
microrganismos crecen (Garzón-Zúñiga et al., 2012). Estos microorganismos tienen la función
de remover algunos contaminantes y su efectividad depende del tipo de materia orgánica y tipo
de microorganismos degradadores.
La remoción de contaminantes en aguas residuales reportado en este artículo es del
colorante tipo Azo, localizado en los procesos de teñido de las industrias textiles y son
consideradas sustancias carcinógenas y recalcitrantes (Zaruma Arias et al., 2018). En el tema de
tratamiento de colorantes en aguas residuales están los humedales artificiales y los sistemas de
biofiltración, entre los que destacan el tratamiento de colorante azul (Jasim, 2020; Lalnunhlimi
& Veenagayathri, 2016; Vargas Espinoza, 2015), colorante reactivo Sunfix Yellow (Anaya
Meléndez, 2019) y remoción de colorante azo (Jaafarzadeh et al., 2018; Venkata Mohan et al.,
2002).
Estos procesos de remoción de colorantes son realizados de forma tradicional siguiendo
el procedimiento de tomar la muestra in situ, y posterior analizarla por un experto, quien
requiere de tiempo de acondicionamiento del ambiente interno del biofiltro antes de recolectar
la muestra. Aunado a la problemática de recolección de muestras para su análisis, la propuesta
en este artículo es presentar un sistema de biofiltración automatizado y monitoreo en tiempo
real de sus variables físicas, y el cual muestra algunos beneficios señalados en la tabla 1.
Tabla 1. Análisis de laboratorio vs Medición de variables físicas en línea
Descripción
Muestras analizadas en el
laboratorio
Muestras analizadas en
línea
Número de muestras
Limitado por el tamaño del
biofiltro y tiempo de análisis,
recolectada en línea y
analizada fuera de línea.
Las muestras son tomadas en
línea y analizadas en línea, las
cuales son recolectadas en
tiempo real y permiten la
retroalimentación en el
suministro del efluente.
Preparación de la muestra
Requiere de preparación
No aplica
Generación de
contaminantes
La muestra se convierte en
residuo indeseable
Ninguno
Control del proceso
Respuesta lenta a
perturbaciones o entradas
exógenas
Respuesta rápida a
perturbaciones
Exactitud y Precisión
Alta
Con errores del ±10%
La tabla 1 presenta una comparativa entre muestras analizadas en un laboratorio y
muestras analizadas en línea usando biofiltros instrumentados; este último presenta algunas
ventajas, por ejemplo: su precisión tiene un margen de tolerancia del ±10%, la muestra
recolectada no se convierte en un contaminante y la información de los biofiltros está disponible
siempre que el usuario desee emplearla. Por lo tanto, la principal contribución es un sistema de
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biofiltración automatizado para el tratamiento de agua residual con colorante tipo azo, las cuales
tienen las funciones de recolectar muestras de temperatura, color y flujo; además controla el
ingreso de flujo a los biofiltros.
1. Material de los reactores empacados
El material usado en los reactores empacados para realizar la biofiltración consistió en
mantener una relación 50-50 de turba, perlita y turba-perlita.
Turba: es un material orgánico compuesto de carbohidratos, minerales y un grupo de
sustancias identificadas como ácidos húmicos y fúlvicos (humus), entre otros componentes. Es
la materia vegetal parcialmente fosilizada, generalmente de color café oscuro, que se forma con
poca oxigenación y abundante agua, en lugares donde la velocidad de acumulación de la materia
vegetal es más grande que la de descomposición.
Perlita: es un sustrato de procedencia volcánica la cual es extraída a partir del
calentamiento de la roca volcánica, normalmente de 1,000°C a 1,200°C; este sustrato está
constituido principalmente de silicio y óxidos de aluminio como, aluminio, hierro, calcio,
magnesio y sodio. Su estructura de celdas muy bien cerradas hace que el agua se adhiera solo en
la superficie con el fin de que el sustrato que contenga la perlita tenga un buen drenaje; por otro
lado, la ligereza en peso de este sustrato, es rígida y por consiguiente no se comprime con
facilidad, lo cual promueve una buena porosidad.
2. Material de la instrumentación
Los materiales usados en la instrumentación de cada uno de los reactores empacados son:
Sensores de temperatura, sensor PT100.
Sensores de color para el influente / efluente, sensor de color TCS230.
Sensores de flujo de entrada/salida, mide el flujo lt/min, sensor YF-S201
Electroválvulas de paso que bloquean y desbloquean el ingreso del agua residual que ingresa
a los reactores empacados.
El diagrama de la instrumentación usada en cada uno de los reactores empacados es
mostrado en la Figura 1.
3. Resultados
Los procedimientos de recolección y análisis de muestras tomadas de los biofiltros
comúnmente son realizados de la manera tradicional, es decir, implica tomar la muestra y usar
equipo del laboratorio para su análisis, lo cual produce tomar la muestra en un instante de
tiempo sin considerar otros instantes de tiempo del flujo de agua residual y, además, el ingreso
del agua residual a cada biofiltro no es regulada en función del tiempo de residencia hidráulica.
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Este problema de manipulación y regulación del agua residual que entra y sale de cada biofiltro
es mejorado con la instrumentación, monitoreo y control en tiempo real a través de la plataforma
de LabView.
Figura 1. Diagrama de Conexión de los Sensores y Electroválvula.
El desarrollo de la plataforma en LabView denominada Estación de Monitoreo y Control
en Tiempo Real de los Biofiltros requirió del uso de sensores de color (TCS230) del
influente/efluente, sensores de temperatura (PT100), sensores de flujo (YF-S201) y control de
electroválvulas de paso que regulan el flujo del agua residual hacia cada biofiltro. El sensor de
color convierte la intensidad luminosa que incide y rebota de la superficie a una frecuencia
determinada, esto es posible a su matriz de colores, integrada por 64 fotodiodos activadas por
grupos de color (filtro rojo, filtro verde, filtro azul y sin filtro), los cuales promedian el valor
medido de la muestra de la superficie con un error de 0.2% y estabilidad de 200 ppm. El sensor
de flujo tiene un rango de operación de 1 a 30 lt/min a una presión máxima de 2MPa. El sensor
de temperatura tiene un rango de operación de -20°C a 500°C. Las electroválvulas de paso con
rosca de ½” están normalmente cerrada sin voltaje de corriente directa, capaz de trabajar a una
presión de trabajo de 0.02 Mpa a 0.8 Mpa, con tiempo de respuesta abierta menor o igual a 0.15
segundos, y tiempo de respuesta cerrada menor o igual a 0.3 segundos. Es importante señalar que
el criterio usado para la selección de los sensores y electroválvulas fue considerar un error de ±
5% y con tiempos de respuesta basados en el comportamiento dinámico de los biofiltros,
calificado como un proceso biológico lento.
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La Figura 2a muestra los sensores y electroválvulas instaladas en el prototipo de
biofiltración y la Figura 2b muestra la Estación de Monitoreo y Control desarrollada en LabView.
Figura 2a. Sistema de Biofiltración Instrumentado
Figura 2b. Estación de monitoreo y control desarrollado en LabView.
El total de sensores instalados son: 6 sensores de color, 6 sensores de flujo, 3 sensores de
temperatura y 6 electroválvulas, y la tarjeta de adquisición de datos usada Arduino Mega 2560.
La pantalla de la estación de monitoreo y control despliega las mediciones realizadas en tiempo
real de cada una de las variables medidas en cada biofiltro, control de las electroválvulas y
comparación del color del agua residual que ingresa y sale de cada biofiltro. Con base en la
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instrumentación y control de electroválvulas en el prototipo de biofiltración de agua residual
con colorante en tiempo real, es posible realizar el análisis de la cantidad de colorante removido
en cada biofiltro, además de observar en la gráfica de la estación de monitoreo del cómo se
comporta en diferentes instantes de tiempo la remoción del colorante, y se guardan cada una de
las mediciones en un archivo de Excel para posterior ser graficados.
La interfaz gráfica está desarrollada en el Software de LabView, que utiliza un lenguaje
de programación gráfico y es comúnmente empleada en los sistemas de monitoreo de procesos
industriales de gran escala o de baja escala, como es el caso del sistema de biofiltración
automatizado. El número de funciones de la interfaz gráfica está en función del número de
sensores instalados en cada reactor empacado y así recolecta las muestras en tiempo real, que las
despliega en gráficas y las guarda en un archivo de Excel.
El enlace de comunicación entre los biofiltros y la interfaz gráfica es una tarjeta de
adquisición de datos con entradas/salidas digitales y analógicos, a los cuales están conectadas
los sensores y acopladas con tarjetas electrónicas de potencia el control de las electroválvulas.
Los resultados de las pruebas realizadas al sistema de biofiltración automatizado están
divididos en tres secciones: a) Biofiltro con turba; b) Biofiltro con perlita y c) Biofiltro con turba-
perlita.
3.1. Pruebas de color
Esta prueba consistió en alimentar el tanque de entrada 1 del sistema con 50mg de
colorante azul directo del número 2 diluido en 1L de agua. La medición del sensor de color es
mostrada en la figura 3a, la cual muestra una disminución de tonalidades rojas y verdes; a su vez
muestra una dominancia en la tonalidad azul puesto que es el color que predomina en la muestra.
Figura 3a. Comparación de agua residual de Entrada (color blanco) y agua residual de salida
del biofiltro (color rojo).
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Figura 3b. Medición de color de entrada (color blanco) y salida del biofiltro (color rojo).
La alimentación del biofiltro con sustrato de turba es alimentada con líquido del influente
de colorante tipo azo y sus resultados se muestran en la gráfica (ver figura 3b).
Figura 3c. Medición de color de entrada (color blanco) y salida del biofiltro (color rojo).
La alimentación del biofiltro con sustrato de perlita-turba en una relación 50/50 es
alimentada es alimentada con líquido del influente de colorante tipo azo y sus resultados se
muestran en la gráfica (ver figura 3c).
Lo resaltable en la Tabla 2 son las mediciones de colorante de salida, donde puede
observarse un aumento en el valor de salida, como consecuencia de una reducción en la tonalidad
del color azul, debido a que al filtrar el colorante de entrada a las tonalidades roja y verde, y esto
conduce a un aumento en el valor del color de salida. La temperatura medida en cada uno de los
biofiltros se mantiene en un rango óptimo.
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Tabla 2. Comparación de resultados de la recolección de muestra de tres Biofiltros
Filtro
Color
de
entrada
Electroválvula
de entrada
Temperatura
(°C)
Electroválvula
de salida
Flujo
de
salida
Color
de
salida
#1
6314106
On/Off
26.45
On/Off
5mm/s-
2mm/s
6664986
#2
6314106
On/Off
26.32
On/Off
5mm/s-
3mm/s
6845374
#3
631410
On/Off
27.22
On/Off
5mm/s
6787421
En la Figura 4 se pueden observar los líquidos del influente y efluente del colorante
utilizado en estas pruebas; claramente puede apreciarse la remoción del colorante tipo azo
usando el sistema de biofiltración instrumentado y monitoreado en tiempo real.
Figura 4. Comparación entre colorante de entrada (lado izquierdo) y colorante de salida (lado
derecho)
Los resultados que son mostrados en este artículo (con mayor atención al sensor de color),
es debido a su importancia en los flujos de entrada y salida del biofiltro en la remoción de
contaminantes de colorantes. Estos sensores de color son los que proporcionan la información
de la cantidad de colorante que remueve cada uno de los biofiltros, en condiciones de
temperatura y flujo controlado y monitoreado en tiempo real.
4. Discusión
Un sistema de biofiltración automatizado facilita la recolección de muestras para su
análisis y estudio de los diferentes empaques de los biofiltros. Tal como esta propuesta de
instrumentación electrónica y monitoreo de tres biofiltros con diferente empacado, se observó
que el biofiltro con empaque turba-perlita, con tiempo de retención de 28 horas, presentó mayor
remoción de colorante tipo azo y materia orgánica. El tiempo de retención hidráulica se
determina con la medición del flujo de entrada y flujo de salida del agua residual que puede ser
ajustada con la variación de los flujos medidos por los sensores. Esto a diferencia de la evaluación
de los materiales usados en el empaque de los biofiltros, propuesta por (Sánchez, 2007), quien
toma las muestras para su posterior análisis.
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Conclusiones
La implementación del sistema de instrumentación y control de un sistema de
biofiltración usado en el tratamiento de aguas residuales para la remoción de colorantes,
representa la contribución principal del trabajo, dado que facilita el análisis de la cantidad de
colorante removido en tiempo real y permite a los expertos estudiar la remoción de colorantes
de las aguas residuales, contando con mayor información del estado del biofiltro. El biofiltro
instrumentado con su interfaz gráfica puede ser probado ante condiciones de aguas residuales
con poco colorante, y con grandes cantidades de colorantes del agua proveniente de la industria
textil.
Los sensores de temperatura, color y flujo funcionaron de forma óptima siendo un apoyo
para el monitoreo de los biofiltros, al mismo tiempo se obtuvieron resultados satisfactorios con
la tarjeta de adquisición de datos que fueron fácilmente analizados.
Agradecimientos
Agradecemos al departamento de Ingeniería en Tecnología Ambiental de la Universidad
Politécnica del Estado de Morelos por su apoyo en los biofiltros.
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