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https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7454| Título : | Modelo didáctico escala piloto para el tratamiento de aguas residuales con microalgas y captura de CO2 y flotación con ozono (“Atzintli”). |
| Autor : | ORTA LEDESMA, MA. TERESA MONJE RAMIREZ, IGNACIO |
| Fecha de publicación : | 2020 |
| Resumen : | Con la finalidad de que los estudiantes complementen una educación de calidad se plantea considerar sistemas multidimensionales en su enseñanza. Con la meta de trasmitir el “Aprender cómo innovar”, es indispensable incluir modelos demostrativos experimentales que motiven a los estudiantes. Esta forma de trasmitir enseñanza demuestra la aplicabilidad de los conceptos teóricos y la oportunidad de optimizarlos. Como complemento de la enseñanza teórica de nuevas tecnologías sostenibles, se propone incluir el modelo didáctico escala piloto para el tratamiento de aguas residuales con microalgas y captura de CO2 y flotación con ozono: Atzintli, como modelo demostrativo para los estudiantes. El proceso utiliza una nueva tecnología (Patente en trámite) con organismos fotosintéticos: microalgas y bacterias, para depurar aguas residuales, captar CO2 atmosférico y producir biomasa con la posibilidad de transformarla en bio-combustibles, bio-fertilizantes y bio-plásticos, entre otros productos de valor agregado. Con el objetivo de desarrollar una tecnología con enfoque sustentable, fue diseñado como resultado de varios años de investigación conjunta con la Universidad de Newcastle UK (2014-2019) a nivel laboratorio. El modelo lo conforman: Reactor de Alta Tasa (RAT), sedimentador–concentrador de biomasa y un sistema de cosechado mediante flotación con ozono (ozonoflotación), ésta última es una novedosa tecnología que mejora de calidad del efluente final. El modelo escala piloto fue construido recientemente (2018), está ubicado dentro de las instalaciones de Ciudad Universitaria-UNAM, y fue anunciado en diferentes medios de difusión con gran impacto: “Universitarios crean sistema ecológico de tratamiento de agua”. Autoridades universitarias, diversas entidades, así como un gran número de alumnos y comunidad en general, han mostrado amplio interés en visitar el modelo, por lo que el presente proyecto permitirá mantenerlo en operación para llevar a cabo sesiones demostrativas. |
| URI : | https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7454 |
| metadata.dc.contributor.responsible: | ORTA LEDESMA, MA. TERESA |
| metadata.dcterms.callforproject: | 2020 |
| metadata.dc.coverage.temporal: | 2020-2022 |
| metadata.dcterms.educationLevel: | nivel superior |
| metadata.dcterms.educationLevel.SEP: | Licenciatura |
| metadata.dc.description.objective: | Objetivo general: Contar con un modelo didáctico para reforzar los fundamentos teóricos de la aplicación de tecnologías avanzadas de tratamiento de agua y su acoplamiento a procesos amigables con el ambiente, que pueda ser utilizado como apoyo en la impartición de cursos, visitas guiadas de estudiantes y en la formación de recursos humanos altamente especializados. Objetivos específicos: "1. Crear una herramienta de enseñanza-aprendizaje del proceso de tratamiento de aguas residuales y valorización de biomasa que permita transmitir la innovación tecnológica en términos sustentables. 2. Vincular la adquisición de conceptos teóricos adquiridos de los alumnos mediante la participación en la operación del modelo escala piloto. 3. Elaborar un manual de operación y procedimientos dirigido a estudiantes y visitantes para llevar acabo sesiones demostrativas y visitas guiadas de los procesos de tratamiento. 4. Desarrollar e implementar un sistema de control y automatización como herramienta para la optimización y el entendimiento de los procesos de tratamiento. 5. Llevar a cabo la asesoría y dirección de estudiantes de servicio social, estancias académicas, intercambio internacional y tesistas." |
| metadata.dc.description.strategies: | 1. Operación, equipamiento y mantenimiento. Se realizará una valoración de las condiciones actuales de la infraestructura disponible, los requerimientos de equipamiento, mantenimiento y de construcción, así como de las condiciones de operación del modelo y los materiales necesarios para darle seguimiento. Se hará un levantamiento y planos actualizados de los procesos instalados y de los respectivos proyectos de equipamiento y construcciones complementarias. 2. Operación y seguimiento del modelo de tratamiento. Se establecerán las condiciones óptimas operación de cada proceso: Tratamiento y cultivo fototrófico de microalgas en agua residual con captura de CO2; Sedimentación natural y Cosecha de biomasa microalgal mediante ozonoflotación y desinfección de efluente final. 1) RAT: se evaluará tomando en cuenta: SST (sólidos suspendidos totales), pH, OD (oxígeno disuelto), temperatura, así como la identificación de los géneros de microalgas predominantes. Se determinará el rendimiento de biomasa microalgal y se llevará a cabo una valorización para determinar su uso. 2) Sedimentador: se evaluará el tiempo de residencia hidráulico (TRH) y la concentración de biomasa provenientes del RAT mediante la determinación de turbidez y SST (sólidos suspendidos totales). 3) Ozonoflotación: se determinarán las condiciones de operación (CgO3: concentración de ozono gas; DO: dosis de ozono; QG: flujo de gas; QL: flujo de líquido; TRH: tiempo de retención hidráulica) de una columna de flotación escala piloto de 12 L de capacidad para la cosecha de biomasa microalgal mediante el proceso de flotación con ozono en modo continuo, partiendo de estudios previos en columna de 1 L de capacidad. Se realizará un balance de masa para determinar la eficiencia de transferencia de ozono mediante la medición de las concentraciones de ozono en fase gas y fase líquida. Para la evaluación de esta etapa de tratamiento se determinará el rendimiento de cosechado de biomasa y la recuperación de productos interés (carbohidratos, lípidos y proteínas totales) para su valorización, así como la remoción organismos Coliformes. Adicionalmente y en todas las etapas de tratamiento, se llevará un control de parámetros fisicoquímicos de calidad tales como DQO (demanda química de oxígeno, DBO (demanda bioquímica de oxígeno), NTK (nitrógeno total Kjeldahl), Nitrógeno amoniacal (NH3), NO3 (nitratos), PO4 (ortofosfatos), grasas y aceites, CT y CF (Coliformes fecales y totales), Compuestos emergentes y metales pesados. 3. Manual de operación y sesiones demostrativas para visitas guiadas. Se elaborará un documento con los fundamentos teóricos y prácticos de los procesos de tratamiento, así como el procedimiento para realizar sesiones demostrativas. 4. Diseño, construcción y equipamiento de un segundo RAT. La dimensiones largo-ancho (L:A: 10) de reactor están basadas en lo reportado por Posten et al. 2012, para evitar las perturbaciones causadas por las curvas en los extremos del reactor de circuito cerrado que afectan el flujo dentro de las secciones rectas del canal. El nuevo reactor tendrá una capacidad de 1.2 m3 y será construido con materiales accesibles de mampostería con fin de pueda ser replicado con relativa facilidad. Será equipado con un sistema convencional de mezclado usando paletas como mecanismo para mover la masa de agua dentro del reactor, así como de las instalaciones hidráulicas respectivas. Se elaboran los planos y se hará un inventario de los materiales y presupuesto requerido. Para la construcción se contará con apoyo Institucional y personal calificado. 5. Control y automatización del modelo de tratamiento. Actualmente se realizan registros de medición de parámetros de control mediante una sonda multiparámetros en el RAT para dar seguimiento al crecimiento de las microalgas. Siendo esta una de las etapas más críticas del modelo de tratamiento, se diseñará un sistema de control del proceso a través de monitoreo del pH, oxígeno disuelto (OD) y dióxido de carbono (CO2), como una herramienta para la optimización y el entendimiento del proceso de tratamiento. Se creará un equipo integral con dispositivos y sensores que realicen las mediciones, así como actuadores a fin de que el control del proceso de tratamiento sea completo. Para ello se cuenta con el apoyo de un grupo de Expertos del IINGEN en desarrollo del Sistema Digitales conectados a la red. Para ello se establecerán las variables de control del RAT, las funciones y las especificaciones de los dispositivos (equipos) y sensores de medición, así como la adquisición de materiales y equipos para la implementación del sistema de control y automatización del sistema piloto. El desarrollo electrónico para controlar el proceso será basado en una tarjeta que usará un microcontrolador de comunicación (32bits), para establecer la comunicación con la red además llevar los datos históricos. El control del equipo del proceso será llevado a cabo por un segundo microcontrolador también de 32 bits. |
| metadata.dc.description.goals: | Primer año: - - Determinar las condiciones de operación del RAT para el tratamiento de aguas con microalgas con captura de CO2 y del sistema de flotación con ozono para la cosecha de biomasa microalgal. - Construir un segundo reactor de alta de 1.2 m3 de capacidad para tratar aguas residuales y captura de CO2 empleando microalgas. - Contar con el manual de operación del modelo y de procedimientos para llevar acabo sesiones demostrativas del tratamiento de agua residual con microalgas y la cosecha de biomasa microalgal mediante ozoflotación. - Llevar a cabo visitas guiadas a estudiantes de diferentes niveles para el conocimiento de los procesos de tratamiento instalados. - Preparar manual de procedimiento para llevar a cabo sesiones demostrativas para estudiantes. - Dirección de un estudiante de servicio social, una estancia académica dos tesis de licenciatura. Segundo año: - Automatizar el modelo escala piloto mediante la elaboración de tarjetas de adquisición de datos, lo cual se traduce en mayores eficiencias, optimización de recursos humanos y reducción de costos de operación. - Establecer las variables de control del proceso de las etapas de tratamiento del sistema piloto integradas por: a) un RAT; 2) un sedimentador de alta tasa; 3) un sistema de flotación con ozono para su automatización. - Establecer los requerimientos, funciones y las especificaciones de los dispositivos (equipos) y sensores de medición para controlar la operación de las tres principales etapas de proceso de tratamiento. - Titulación de tesistas participantes en el proyecto. |
| metadata.dc.description.selfAssessment: | Se cumplieron al 100% los objetivos y las metas del proyecto, con limitaciones en casos específicos de productos que no se pudieron concretar (visitas al modelo, congresos internacionales, diseño de página web) y retraso en la conclusión de tesis y servicio social, atribuible concretamente a las condiciones de Pandemia. Se cumple con el objetivo principal del proyecto, al contar con un Modelo Didáctico que demostró con una alta participación de estudiantes, ser una herramienta valiosa que esta disponible para seguir contribuyendo en la formación recursos humanos de generaciones futuras. Productos: Servicios sociales, 100% cumplidos: 4 liberados + 1 trámite Tesis, 50%: 1 titulado, 1 con fecha de titulación; dos se encuentran en proceso. Modelo educativo, 100%. Boletín 100%: visita guiada pendiente. Folleto 100%: visita guiada pendiente Manual100%. Página WEB: cancelada por pandemia. Congresos Internacionales: 2, cancelados por pandemia. |
| metadata.dc.description.goalsAchieved: | AÑO 1 1. 100% - RAT: volumen 1.2m3; tiempo de retención hidráulica (THR) 15 días; velocidad superficial del agua 0.3m/s, concentración (Conc.) inicial (0.35-0.55 mgSST/L) y final de microalgas (0.55-0.9 gSST/L). Remoción: nitrógeno amoniacal, 6.3mg/L-día; nitratos 2.9mg/L-día; carbono 10.5mg/l-día, ortofosfatos 1.5mg/L-día. Ozonoflotación reactor 12L: Conc. inicial de microalgas 1.4gSST/L; Conc y flujo de ozono gas, 44mg/L y 1.8L/min; THR, 46 min y volumen trabajo 11.5L. Rendimientos cosecha (%): 73-76 biomasa; 50-52 carbohidratos; 51-54 lípidos y 42-44 proteínas. Conc. biomasa 20-23gSST/L, transferencia ozono 80-83%. Remoción (%) 87 DQO; 73 nitratos; 40 alcalinidad y 38 ortofosfatos. Sedimentador de Alta Tasa (SAT): modificaciones al diseño original: configuración, geometría y número de placas (de 8 a 16), incremento de caudal de operación de 0.4 a 8.5L/s, régimen laminar y reducción THR a 4.5h. Conc. biomasa inicial 0.55 - 0.9gSS/L y final 12-18gSST/L. 2. Cancelación de meta desde aprobación del proyecto. 3. 100% Manual de operación y procedimientos incluye: descripción, teoría y procesos unitarios, procedimientos para calidad del agua y biomoléculas valorizables. 4. 100% Durante el proyecto se desarrollaron actividades de mantenimiento, acondicionamiento de procesos y automatización. Las visitas se programarán cuando las condiciones de restricción lo permitan. Se elaboró un tríptico informativo. 5. 100% Se elaboró manual resumido que describe brevemente el modelo. 6. 100% Tesis concluida (11 enero 2022), 2 servicios sociales (SS) y 2 estancias estudiantiles (EE), 4 tesis en desarrollo. AÑO 2 7. 100% Se diseñó e implementó un sistema de control automático para monitorear y controlar el RAT y SAT. Incluye PLC, interruptores electromagnéticos, fuente de poder, interruptores arranque y paro, hardware de comunicación con el equipamiento del modelo (sensor de nivel, sonda multiparamétrica, motor, bombas), cableado de comunicaciones e interfaz humano-máquina. 8. 100% RAT (lote): TRH 15 días; nivel de agua 15-30cm; velocidad superficial del cultivo 0.3m/s; llenado de RAT sin control de velocidad y vaciado con control de velocidad (8.5L/s); medición de parámetros sonda EXO3-YSI. SAT: Flujo de operación 8.5L/s; THR 4.5h; turbiedad 30-50 UTN. Ozonoflotación (lote): presión del gas de alimentación (6-7psi); flujo y concentración de ozono gas; dosis aplicada - ozono; tiempo y concentración inicial de microalgas. 9. 100% IEE Pablo Lobato desarrolló un programa de control del RAT, incluye: automatización cíclica (15 días), control de actuadores (motor/bombas) para vaciado y llenado, entrada de datos (sensor de nivel y sonda multiparamétrica) e interfaz humano-máquina. 10. Biol. Joshua Reyes - SS y tesis concluida (7 abril 2022). MIA Daniela Casasola (trámites titulación). MIA Karina Atengueño Doctorado (proceso). Adicionalmente participaron otros cuatro estudiantes - Lic quienes desarrollan SS y Tesis y 3 EE. |
| metadata.dcterms.provenance: | Facultad de Ingeniería |
| metadata.dc.subject.DGAPA: | Ingenierías |
| metadata.dc.type: | Proyecto PAPIME |
| metadata.dc.contributor.coresponsible: | MONJE RAMIREZ, IGNACIO |
| Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías |
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