Bases teóricas

Reutilización de agua residual, la escasez de agua y la precariedad del tratamiento de las aguas residuales municipales, asociada a la alta vulnerabilidad social y la escasez de recursos en las regiones semiáridas, agravan las disparidades sociales y hacen imposible mejorar la calidad de vida de la población ¹⁰. La reutilización del agua comenzó a aumentar tanto en el número de proyectos como en los tipos de aplicaciones de agua reciclada a medida que el tratamiento de aguas residuales, los procesos de desinfección y las técnicas analíticas físicas químicas y microbiológicas se volvieron más sofisticadas durante la primera mitad del siglo XX. De manera similar, los estándares de reutilización del agua evolucionaron para regular el uso de agua reciclada para riego. Durante este tiempo, los recursos hídricos en general fueron adecuados para satisfacer todas las necesidades de agua potable y no potable, y el uso de agua residual tratada a menudo se basó en la oportunidad, la conveniencia y la economía ¹¹.

Costo de Reúso del Proceso

La revisión de la literatura académica sobre el diseño y evaluación de tarifas relacionadas con los servicios de agua, una de las conclusiones fue que en las próximas décadas el diseño de sistemas tarifarios óptimos será cada vez más importante a la hora de buscar mecanismos para financiar los servicios de agua ¹².

En la industria, en general, uno de los principales objetivos es el ahorro en el consumo de agua ¹³, idealmente sería lo mejor reciclar toda el agua que se va utilizando, lo que evitaría el gasto por el consumo de agua de suministro a la planta, por tal razón, para obtener el costo total de reúso del proceso del agua residual, se deben tomar en cuenta el costo de tratamiento de agua al reciclo, costo de tratamiento de agua de descarga y el costo del agua de abastecimiento, ecuación 1.

Sistema integrado de reciclo de aguas residuales industriales, el reciclo integrado de aguas residuales industriales, se ha convertido en un tema importante en los últimos años, especialmente en los países en desarrollo, y este se puede obtener al comprender tres aspectos del sistema de recolección, los procesos de tratamiento y el objetivo de reutilización, denominados conjuntamente “grupo funcional” ¹⁴.

El objetivo de la investigación fue evaluar la recirculación del agua residual industrial y su influencia en el costo de reúso del proceso, como consecuencia del estudio de investigación, que al aplicar el análisis estadístico en base monitoreo realizado in situ en las fechas programadas en coordinación con la empresa, se hizo necesario la aplicación de software de procesamiento lógico MATLAB, registrándose el algoritmo de costo de reúso del proceso, se accedió a los análisis respectivos para obtener los parámetros del estudio para obtener la simulación del costo de reúso del proceso ¹⁵. En el estudio propuesto se ha considerado el software Matlab que posee herramientas especiales, utilizándose el lenguaje de programación en la modelación del costo de reúso del proceso del agua residual en la empresa curtiduría.

Puntos de monitoreo en el proceso de la calidad de agua residual

Se establecieron tres puntos de monitoreo en el proceso de recirculación del agua residual industrial con fines de costo de reúso del proceso en la empresa curtiduría, con las siguientes coordenadas UTM. El punto E-1 (8 483 851N - 371 848E), el punto E-2 (8 483755N - 371 748E) y el punto E-3 (8 483 762N - 371 843E), (Coordenadas UTM: Datum WGS84 Huso 18 Sur), la altitud media a 17 m.s.n.m. (Figura 1).

Figura 1 Localización de los puntos de monitoreo en el proceso de recirculación del agua residual industrial - Cercado de la Provincia de Pisco, donde se localizaron los puntos para el monitoreo: E-01, E-02 y E-03. 

Se realizaron tres pruebas en la empresa curtiduría, ubicado en el cercado de la Provincia de Pisco, Región de Ica. La investigación realizada fue de tipo experimental, con los siguientes criterios metodológicos considerados: prospectivo las pruebas fueron recogidos a propósito de la investigación, longitudinal ¹⁷, la variable de recirculación del agua residual, en base a sus tres tratamientos, fue realizada en tres fechas distintas, una antes, en el momento y el después, analítico, mediante el análisis estadístico, se planteó la prueba de hipótesis. De nivel descriptivo-explicativo: descriptivo, Se identificó la estrategia necesaria en la recirculación del agua residual industrial en el costo de reúso del proceso, explicativo, confrontar las variables en estudio (Recirculación del Agua Residual Industrial como variable independiente & Costo del Proceso de Reúso como variable dependiente) ¹⁷. Diseño experimental. Con Enfoque Cuantitativo, se determinó a través de la técnica de observación y el instrumento fue el registro del documento de la empresa, para desarrollar el proceso de investigación ¹⁸.

En el cercado de la provincia de Pisco, se localizaron los puntos: E-01, E-02 y E-03, considerándose los siguientes parámetros: Porcentaje de reciclo del agua residual de la planta de tratamiento (r_k), concentración de agua de suministros (C_abas), caudal de entrada al procesos (Q_ep), concentración de entrada de agua al proceso (C_ep), caudal de pérdidas de agua en el proceso (Q_pp), carga de contaminantes aportado por el proceso (K_pp), carga de contaminantes permitido en la descarga en la fuente (K_d) y costo del agua de suministro (C_aguaabas). Se realizó el monitoreo in situ en las fechas coordinadas con la empresa: 14 de octubre, 17 de noviembre y 15 de diciembre del 2020 respectivamente, en los tres puntos seleccionados como se observa en la Figura 1, pruebas realizadas in situ, se accedió a los análisis respectivos para obtener los parámetros del estudio de investigación como se detallan en la Tabla 1, luego se alimentó al programa denominado curtiembre con extensión Matlab (ANEXO I), y en el programa se desarrolló el algoritmo de costo total de reúso del proceso como lo describe la ecuación 1 y ver la Tabla 2, en respuesta de la obtención de los datos de costo total se elaboró los niveles y el tratamiento.

Tabla 1 Datos de recirculación del agua residual de la empresa industrial de curtiduría. 

Nota: Dato r_K: Porcentaje de reciclo del agua residual de la planta de tratamiento

Se realizó el monitoreo in situ, siguiendo los criterios establecidos en el protocolo de monitoreo de efluentes líquidos y emisiones atmosféricas, aprobado por Resolución Ministerial N°026-2000-ITINCI-DM ¹⁹, protocolo de vigilancia de los recursos hídricos DIGESA N°007-VI ²⁰, el reglamento de estándares nacionales de calidad de agua Decreto Supremo N°004-2017-MINAN ²¹ y el Decreto Supremo N°003-PRODUCE ²², que refiere sobre límites máximos permisibles y valores referenciales para las actividades industriales de cemento, cerveza, curtiembre y papel, (ANEXO II, Tabla A).

Se utilizó un GPS (Garmin ETREX) para georreferenciar la zona, para levantar información de las coordenadas UTM, sistema: WGS-84, Zona: 18L para la ubicación geográfica de los puntos, además se utilizó un medidor de pH digital marca OAKTON, Modelo pH 310 para la determinación del potencial de hidrogeno para la determinación de los parámetros químicos de interés, se empleó un equipo MULTIPARAMETRO HACH modelo HQ40d, para la Medición in situ de T, pH, OD y CE. Las unidades que se consideraron para el tratamiento de la recirculación del agua residual industrial en la planta de curtiembre son la poza de sedimentación y el tanque de precipitación, el monitoreo se realizó, según las normas establecidas, (ANEXO II, Tabla B).

Al evaluar, mediante la recirculación del agua residual en el costo de reúso del proceso en la planta curtiduría., se tomó en cuenta desde el suministro del agua al proceso, habiéndose considerado un rango estimado de 0.6 a 0.75 como porcentaje de reciclo del agua residual de la planta de tratamiento, así como también, el porcentaje de carga de retiro en la planta de tratamiento y el porcentaje de carga de retiro en la descarga a la fuente (alcantarillado), como se observa en la Figura 2.

Figura 2  Diagrama de reciclo y la disposición del agua residual industrial tratada. 

Análisis estadístico

La elección de los niveles y los tratamientos está en base al diseño factorial 2³, como se señala en la Tabla 2.

Tabla 2 Niveles y Tratamientos. 

%: Reciclo del agua residual de la planta de tratamiento -%Kg/h: Carga de retiro en la planta de tratamiento y carga de retiro en la descarga a la fuente

El sistema tal como fue definido, tiene dos variables; [Recirculación del agua residual industrial (X) & Costo de reúso del proceso (Y)] y [tres tratamientos(X₁), (X₂) y (X₃)], se formuló el modelo general de relación funcional, como se indica en la ecuación 2:

Se formularon las siguientes hipótesis estadísticas, Tabla 3.

Tabla 3 La hipótesis estadística para investigar el grado de influencia de los tratamientos en la recirculación en el costo de reúso del proceso. 

H_O: Hipótesis nula - H₁: Hipótesis Alternativa

Análisis estadístico

Según el procedimiento, la suma de cuadrados o el cuadrado medio de los resultados para las combinaciones experimentales, se obtuvieron de una forma práctica a través de la varianza de los tratamientos principales del diseño básico, obtenidos por el algoritmo de Yates, S_i ², Tabla 5.

Para el análisis de varianza (ANOVA), de los resultados obtenidos del diseño factorial se utilizó el F-test (Φ₁, Φ₂), en base a la varianza de los tratamientos principales por el algoritmo de Yates S_i ² , y la varianza del error experimental e interacción S_e ², ver Tabla 6. Se evaluó, S_e ² , a partir de los resultados de las combinaciones experimentales del 9 al 15 adicionales (Tabla 4), para ello se obtuvo inicialmente el promedio (Y = 4.6857), luego se construyó la tabla de los cuadrados de las desviaciones de los rendimientos para las combinaciones adicionales (Y-Y)² , y se obtuvo: (S_e ² = 0.2248). Se efectuó el análisis de varianza con el F-test, comparándose las desviaciones, S_i ² y S_e ², ver Tabla 7

Tabla 7 ANOVA y F-test. 

Φ₁ =1 (Grados de libertad del numerador) - Φ₂ = 6 (Grados de libertad del denominador)

Prueba de Hipótesis

Los datos obtenidos fueron analizados mediante el S_i ² y S_e ². Se procedió a determinar los valores críticos de F (Φ₁, Φ₂) y F_C (Φ₁, Φ₂), en la (Tabla 8).

Tabla 8 Cuadro comparativo de F (Φ₁, Φ₂), al 95% de confianza. 

Se afirma que la recirculación del agua residual industrial al considerar los parámetros del porcentaje de carga de retiro con el porcentaje de reciclo del agua residual y ambos como X₁X₂, esto ha permitido mejorar o incrementar la calidad del agua residual, en el costo de reúso del proceso, procedente de la empresa industrial curtiduría.

Esto quiere decir que los resultados de la prueba de hipótesis al 95% de confianza, se concluye que el costo de reúso del proceso depende de la siguiente relación funcional de f (X ₁ , X ₂ , X ₁ X ₂ ), donde las combinaciones de (X₁=5.7842, X₂=4.7582 y X₁X₂=4.4384), frente a lo mencionado se rechaza la hipótesis nula (Ho) y se acepta la hipótesis alternativa (Ha).

Estos resultados son corroborados por quienes en su investigación concluyen que las funciones de respuesta para el porcentaje de mineralización desarrollados en las ecuaciones de reacciones de Fenton y foto-Fenton ²³, donde aplicaron la prueba de Yates y el análisis de varianza (ANOVA), siendo significativos de 95% (valor con un margen de error de +/- 0.05), para ello, se realizaron estudios en una simulación de aguas residuales agroindustriales, se utilizó el diseño estadístico de experimentos para evaluar la influencia de la concentración de IMZ, Fe (II) y H₂O₂ en la eficiencia del proceso, el Fe (II) y H₂O₂ optimizados para la mineralización de 50 mg L^-1 IMZ fueron 21.5 y 127.5 mg L^-1, respectivamente, se estimó un costo operativo de 2.06 s/m³ para el tratamiento de 10 m³ de aguas residuales contaminadas con IMZ, esto nos permite argumentar con mayor criterio que el diseño factorial 2³ es una técnica estadística que permite desarrollar los efectos o tratamientos de la variable independiente. Así Tambien, se refieren que el análisis de datos estadísticos de los resultados del diseño factorial ²⁴, se estimó el análisis de varianza (ANOVA) que le permitió determinar la significancia entre y dentro de los niveles bajo y alto de cada factor en α = 0.05, con el fin de determinar todos los términos viables, siendo su aporte de los investigadores sobre los efectos principales y las de interacción, como el gráfico de Pareto, además considera el gráfico de probabilidad normal. Permitiendo en futuras investigaciones considerar como factores o variables de entrada: mediciones, variaciones, efectos directos y efectos de iteración en procesos fisicoquímicos, biológicos y sanitarios.

En tal sentido, en base a lo referido anteriormente y al analizar estos resultados confirmamos que la carga de retiro en la descarga a la fuente o cuerpo receptor (X₃), como el efluente crudo de la curtiembre, no genera impacto de contaminación alguno al ser lanzados a una red de alcantarillado. Se menciona que la recirculación de las aguas residuales industriales ¹⁴, es un tema importante que debe ser considerado también en los países latinoamericanos, como en nuestra realidad nacional, considerando la realidad plantea de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) definidos por Naciones Unidas que abordan los mayores retos de la humanidad desde una perspectiva global y transversal, con una visión a futuro hacia el año 2030. Es importante fortalecer el objetivo 6 de la ODS, de la calidad de agua y saneamiento, sobre la escasez de agua, los problemas de calidad del agua y el saneamiento inadecuado trabajando por un uso racional y sostenible de este recurso de primera necesidad y afrontando los riesgos relacionados con su escasez.