Fotocatálisis solar en la recuperación de aguas grises para la agricultura: innovación y eficiencia por control de procesos con PLC S7-1500
Palabras clave:
aguas grises, calidad del agua, PLC, riego de cultivos, sistema fotocatalíticoSinopsis
El proceso fotocatalítico solar es una tecnología que emplea la energía del Sol para purificar aguas residuales de origen doméstico, convirtiéndolas en una fuente valiosa de recurso hídrico para la agricultura. Este libro se adentra en el estudio de la fotocatálisis solar aplicada a la recuperación de aguas grises, con un enfoque específico en su aplicación para la agricultura. El estudio tuvo como objetivo determinar los efectos de un sistema fotocatalítico solar controlado con PLC S7 1500 que permite recuperar aguas grises para su utilización en riego agrícola. El diseño experimental empleado se basó en un Diseño Central Compuesto (DCC) con tres factores (IUV, TiO2 y Tiempo), cada uno con tres niveles; resultando en 6 puntos centrales y axiales. En total, se llevaron a cabo 20 experimentos iniciales en condiciones controladas y luego de la optimización 13 experimentos más. Los parámetros de muestreo se seleccionaron siguiendo las directrices del Estándar de Calidad del Agua (ECA) establecido para el riego de cultivos, asegurando la relevancia y aplicabilidad de los resultados en la agricultura. Para evaluar la calidad de las aguas recuperada se empleó el método que determina el Índice de Calidad del Agua (ICA-PE%), que permite una medición precisa de la idoneidad del agua para su uso en la agricultura. Los resultados revelaron que el sistema fotocatalítico solar controlado con PLC S7 1500, logró una mejora significativa en la calidad del agua, alcanzando un índice de calidad superior al 86%. Las conclusiones de esta investigación establecen que el sistema es eficaz y tiene el potencial para proporcionar una fuente sostenible de agua de alta calidad para el riego agrícola.
Referencias
Akiça, V. L. (2004). Water Reuse for Water Reuse for Irrigation, Agriculture, Landscapes, and Turf Grass. En New York. CRC Press. https://cutt.ly/zwRSYbMf
Albalawneh, A., Chang, T.-K., & Alshawabkeh, H. (2017). Greywater treatment by granular filtration system using volcanic tuff and gravel media. Water Science and Technology, 75(10), 2331-2341. https://doi.org/10.2166/wst.2017.102
Almomani, F., Bhosale, R., Kumar, A., & Khraisheh, M. (2018). Potential use of solar photocatalytic oxidation in removing emerging pharmaceuticals from wastewater: A pilot plant study. Solar Energy. https://doi.org/10.1016/J.SOLENER.2018.07.041
Bahrami, M., Amiri, M. J., & Badkubi, M. (2020). Application of horizontal series filtration in greywater treatment: a semi-industrial study. Australasian Journal of Water Resources, 24(2), 236-247. https://doi.org/10.1080/13241583.2020.1824610
Bairagi, V., & Munot, M. V. (2019). Research methodology: A practical and scientific approach (1.a ed.). CRC Press/Taylor & Francis Group.
Barwal, A., & Chaudhary, R. (2016). Feasibility study for the treatment of municipal wastewater by using a hybrid bio-solar process. Journal of Environmental Management, 177, 271-277. https://doi.org/10.1016/J.JENVMAN.2016.04.022
Berger, H. (2017). Automating with SIMATIC S7-1500: Configuring, Programming and Testing with STEP 7 Professional (2.a ed.). Publicis.
Bollaín Sánchez, M. (2019). Ingeniería de instrumentación de plantas de proceso. Ediciones Díaz de Santos. https://dct.digitalcontent.com.co/sview/default.aspx
Borges, M. E., Sierra, M., Cuevas, E., García, R. D., & Esparza, P. (2016). Photocatalysis with solar energy: Sunlight-responsive photocatalyst based on TiO2 loaded on a natural material for wastewater treatment. Solar Energy, 135, 527-535. https://doi.org/10.1016/J.SOLENER.2016.06.022
Boyjoo, Y., Pareek, V. K., & Ang, M. (2013). A review of greywater characteristics and treatment processes. Water Science and Technology, 67(7), 1403-1424. https://doi.org/10.2166/wst.2013.675
Boylestad, R. L., & Nashelsky, L. (2003). Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson Educación.
Cabezas, P. T., Gómez, P. M., Jiménez, J. A., García-Nieto, I. C., Rogel, M. S., & Cortijo, T. P. (2016). Proyecto Life WaterReuse: Gestión eficiente del agua en industrias con elevada carga orgánica. Tecnoaqua, 22, 30-40. https://cutt.ly/ZwRSTaID
Carbajal-Morán, H. (2021). Modelo de sistema de recuperación de aguas grises por fotocatálisis solar con nanopartículas de TiO2 para riego de cultivos [Tesis doctoral, Universidad Nacional del Centro del Perú]. Repositorio Institucional. http://hdl.handle.net/20.500.12894/7008
Carbajo, J. (2013). Aplicación de la fotocatálisis solar a la degradación de contaminantes orgánicos en fase acuosa con catalizadores nanoestructurados de TiO2. [Tesis doctoral, Universidad Autónoma de Madrid]. Repositorio Institucional UAM. http://hdl.handle.net/10486/14229
Carrasco, S. (2019). Metodología de la investigación científica. Pautas metodológicas para diseñar y elaborar el proyecto de investigación (19.a ed.). Editorial San Marcos EIR Ltda.
Centeno Pomareta, P. (2017). Introducción a TIA Portal con S7-1500. [Proyecto de fin de grado, Universidad Politécnica de Madrid] https://oa.upm.es/49911/
Comisión Económica para América Latina y el Caribe. (2015). Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible. https://agenda2030lac.org/es/ods/6-agua-limpia-y-saneamiento/metas/63
Chiron, A., & Cachorro, V. E. (2008). La radiación solar en el sistema tierra-atmósfera. Ediciones Universidad de Valladolid.
Christova-Boal, D., Eden, R. E., & McFarlane, S. (1996). An investigation into greywater reuse for urban residential properties. Desalination, 106(1-3), 391-397. https://doi.org/10.1016/S0011-9164(96)00134-8
Colina, J. A., & Castilla, D. R. (2013). Mineralización fotocatalítica de agua residual contaminada con dicloxacilina comercial en un reactor solar CPC a escala piloto. Ingeniería y Competitividad, 15(1), 161-169. http://www.scielo.org.co/pdf/inco/v15n1/v15n1a15.pdf
Corona Ledesma, A. E. (2022). Desarrollo de un sistema multipantalla SCADA para la automatización de células de fabricación [Universidad de La Laguna]. https://acortar.link/zXOX10
Curcó, D., Malato, S., Blanco, J., & Giménez, J. (1996). Photocatalysis and radiation absorption in a solar plant. Solar Energy Materials and Solar Cells, 44(2), 199-217. https://doi.org/10.1016/0927-0248(96)00059-1
Daneri, P. A. (2009). PLC: automatización y control industrial. Hispano Americana HASA. https://elibro.net/es/lc/bibliounh/titulos/66558
Deza Martí, E., Osorio Anaya, A., & Manrique Fajardo, J. J. (2017). Evaluación experimental de la degradación fotocatalítica del colorante Cibacron Navy H-2G empleando nanopartículas industriales de TiO2. Revista de la Sociedad Química del Perú, 83(2), 160-173. https://doi.org/10.37761/rsqp.v83i2.193
Drucker, P. F. (2020). The essential drucker. Routledge. https://acortar.link/kf6rCP
ECyT-ar. (24 de noviembre de 2017). Irradiación solar. https://cutt.ly/wwU8t1BQ
Eriksson, E., Andersen, H. R., Madsen, T. S., & Ledin, A. (2009). Greywater pollution variability and loadings. Ecological engineering, 35(5), 661-669. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2008.10.015
Food and Agriculture Organization of the United Nations (1999). Wastewater treatment and use in agriculture. http://www.fao.org/3/T0551E/T0551E00.htm
Fernández, P. (2003). Propiedades coloidales de partículas de TiO2: Aplicación al tratamiento fotocatalítico solar de aguas. [Tesis doctoral, Universidad de Granada]. Dialnet. https://dialnet.unirioja.es/servlet/tesis?codigo=145121
GmbH & Co. (2022). Grafcet-Studio. https://cutt.ly/bwRDnbey
Goddard, N. (2022). Equinoccio: qué es y cómo ver el fenómeno que marca el cambio de estación. National Geographic. https://acortar.link/KUySoU
Gross, A., Shmueli, O., Ronen, Z., & Raveh, E. (2007). Recycled vertical flow constructed wetland (RVFCW)—a novel method of recycling greywater for irrigation in small communities and households. Chemosphere, 66(5), 916-923. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2006.06.006
Guerrero Saiz, J. (2019). Programación estructurada de autómatas programables con Grafcet. Ediciones Paraninfo, SA.
Hägglund, T., & Bauer, M. (2023). Process Control in Practice. De Gruyter. https://doi.org/10.1515/9783111104959
Hammer, M., & Champy, J. (1993). Reengineering the corporation: Manifesto for business revolution. Business Horizons, 36 (5), 90-91. https://doi.org/10.1016/S0007-6813(05)80064-3
Hashimoto, K., Irei, H., & Fijishima, A. (2005). TiO2 Photocatalysis : A Historical Overview and Future Prospects. Japanese Journal of Applied Physics, 44(12). https://doi.org/10.1143/JJAP.44.8269
Hernández, R., & Mendoza, C. (2018). Metodología de la investigación - Las rutas cuantitativa, cualitativa y mixta. McGraw-Hill.
Herrmann, J. M., Matos, J., Disdier, J., Guillard, C., Laine, J., Malato, S., & Blanco, J. (1999). Solar photocatalytic degradation of 4-chlorophenol using the synergistic effect between titania and activated carbon in aqueous suspension. Catalysis Today, 54(2-3), 255-265. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(99)00187-X
Imhof, B., & Mühlemann, J. (2005). Grey water treatment on household level in developing countries a state of the art review. Eidgennossiche Technishe Hoschule Zurich, 98. https://cutt.ly/EwRSDqlo
Instituto Nacional de Estadística e Informática. (2022). Perú: Anuario de Estadísticas Ambientales 2022. https://cutt.ly/VwRSDH71
Iqbal, M. (1983). An introduction to solar radiation. En ScienceDirect. Academic Press. https://cutt.ly/twRSGUMF
Ishikawa, K. (2003). ¿Qué es el control total de calidad? Editorial Norma. https://acortar.link/LY8Ys7
Javadinejad, S., Dara, R., Hamed, M. H., Saeed, M. A. H., & Jafary, F. (2020). Analysis of gray water recycling by reuse of industrial waste water for agricultural and irrigation purposes. Journal of Geographical Research, 3(2), 20-24. https://doi.org/10.30564/jgr.v3i2.2056
Jiang, D., Zhao, H., Zhang, S., & John, R. (2003). Characterization of photoelectrocatalytic processes at nanoporous TiO2 film electrodes : photocatalytic oxidation of glucose. 107(43), 12774-12780. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jp0307349
Jiménez, M. (2015). Desarrollo de nuevas estrategias basadas en fotocatálisis solar para la regeneración de aguas de una industria agro-alimentaria. [Tesis doctoral, Universidad de Almería]. Dialnet. https://dialnet.unirioja.es/servlet/tesis?codigo=222156
Khanam, K., & Patidar, S. K. (2022). Greywater characteristics in developed and developing countries. Materials Today: Proceedings, 57, 1494-1499. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.022
Kim, R.-H., Lee, S., Jeong, J., Lee, J.-H., & Kim, Y.-K. (2007). Reuse of greywater and rainwater using fiber filter media and metal membrane. Desalination, 202(1), 326-332. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.desal.2005.12.071
Kreider, J. F. (1979). Medium temperature solar collectors and ancillary components. En Medium and high temperature solar processes (pp. 100-160). Elsevier. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-425980-5.50009-1
Leal, L. H., Temmink, H., Zeeman, G., & Buisman, C. J. N. (2011). Characterization and anaerobic biodegradability of grey water. Desalination, 270(1-3), 111-115. https://doi.org/10.1016/j.desal.2010.11.029
Leckner, B. (1978). The spectral distribution of solar radiation at the earth’s surface-elements of a model. Solar Energy, 20(2), 143-150. https://doi.org/10.1016/0038-092X(78)90187-1
Livanov, D. (2023). The Physics of Planet Earth and Its Natural Wonders. Springer Nature. https://doi.org/10.1007/978-3-031-33426-9
Madronich, S. (2007). Analytic formula for the clear-sky UV index. Photochemistry and Photobiology, 83(6), 1537-1538. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.2007.00200.x
Melo, O. O., López, L. A., & Melo, S. E. (2020). Diseño de experimentos: Métodos y aplicaciones (2.a ed.). Universidad Nacional de Colombia. https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/79912
Mendoza, E. (2013). Elementos de astronomía observacional: la esfera celeste. Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica. https://cutt.ly/jwRSEpa9
Məmmədli, M., & Kabaoğlu, R. O. (2021). Simultaneous Monitoring and Control of Automation Systems with SCADA Based PLC. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 8(1), 336-344. https://doi.org/10.35193/bseufbd.899424
Ministerio del Ambiente. (2017a). Decreto Supremo N° 004-2017-MINAM. https://cutt.ly/nwRSZBFf
Ministerio del Ambiente. (2017b). Estándares de Calidad Ambiental (ECA) para Agua. El Peruano, 19. https://cutt.ly/awRSCsPy
Miranda, N. (2015). Degradación de contaminantes emergentes mediante TiO2 inmovilizado e irradiación solar. [Tesis doctoral, Universidad de Almería]. Dialnet. https://dialnet.unirioja.es/servlet/tesis?codigo=111620
Morel, A., & Diener, S. (2006). Greywater management in low and middle -income countries: review of different treatment systems for households or neighbourhoods. Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (Eawag). https://cutt.ly/BwRSM9Tb
Moyares, Y., & Lorenzo, D. B. (2021). La Arquitectura de Información (AI) en el proceso de desarrollo de software. Bibliotecas. Anales de investigación, 6, 97-102. https://core.ac.uk/download/pdf/230403505.pdf
Muñoz Flores, P. (2022). Evaluación de la factibilidad técnica de la fotocatálisis heterogénea en el tratamiento de aguas residuales de la industria alimentaria. [Tesis doctoral, Universidad de Concepción]. Repositorio institucional de la Universidad de Concepción. http://repositorio.udec.cl/jspui/handle/11594/9671
Murcia, M. L., Calderón, O. G., & Díaz, J. E. (2014). Impacto de aguas grises en propiedades físicas del suelo. TecnoLógicas, 17(32), 57. https://doi.org/10.22430/22565337.204
Myers, R., Montgomery, D., & Anderson-Cook, C. (2016). Response surface methodology, process and product optimization using designed experiments (4.a ed.). Wiley. https://acortar.link/UEwYty
Nahim, S., Sánchez, J. A., & Polo, M. I. (2018). Effective solar processes in fresh-cut wastewater disinfection: Inactivation of pathogenic E. coli O157:H7 and Salmonella enteritidis. En S. Malato, J. Krýsa, P. Pichat & D. Mantzavinos (Eds.), Catalysis Today (pp. 79-85). Elsevier. https://doi.org/10.1016/J.CATTOD.2017.10.042
Naylamp-mechatronics. (2018). Módulo Sensor de luz ultravioleta (UV) UVM-30A. https://acortar.link/KBsy4m
Nfaoui, M., & El-Hami, K. (2018). Extracting the maximum energy from solar panels. Energy Reports, 4, 536-545. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2018.05.002
Nolde, E. (2000). Greywater reuse systems for toilet flushing in multi-storey buildings–over ten years experience in Berlin. Urban water, 1(4), 275-284. https://doi.org/10.1016/S1462-0758(00)00023-6
Otálvaro, H. L., Mueses, M. A., Crittenden, J. C., & Machuca, F. (2017). Solar photoreactor design by the photon path length and optimization of the radiant field in a TiO2-based CPC reactor. Chemical Engineering Journal, 315, 283-295. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.01.019
Otterpohl, R., Grottker, M., & Lange, J. (1997). Sustainable water and waste management in urban areas. Water Science and Technology, 35(9), 121-133. https://doi.org/10.2166/wst.1997.0336
Peciña, L. (2018). Programación de Controladores avanzados SIMATIC S7 1500 con TIA Portal AWL y SCL (2.a ed.). Marcombo.
Pérez, V. (2019). El movimiento de rotación de la Tierra y los husos horarios. Hidden Nature. https://acortar.link/9G2Pf6
Pirraglia, G. (2018). Programmazione avanzata con PLC S7-1200/1500, HMI, I/O analogici e orologio HW. HOPEPLI. https://acortar.link/zxxZNK
Powell, P. A., Litter, M., Blesa, M. A., & Apella, M. C. (2007). Desinfección solar de aguas por fotólisis y fotocatálisis: aplicación en Tucuman, Argentina. Medioambiente en Iberoamérica, 2, 1-6. https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=7397894
Prajapati, B., Jensen, M. B., Jørgensen, N. O. G., & Petersen, N. B. (2019). Grey water treatment in stacked multi-layer reactors with passive aeration and particle trapping. Water research, 161, 181-190. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.05.096
Rata, M., Rata, G., Graur, A., & Bejenar, C. (2021). Automation design of a two-axis control using sinamics s210 and s7-1511t PLC. 2021 International Conference on Electromechanical and Energy Systems (SIELMEN), 498-502. https://doi.org/10.1109/SIELMEN53755.2021.9600319
Riordan, C. J., Hulstrom, R. L., & Myers, D. R. (1990). Influences of atmospheric conditions and air mass on the ratio of ultraviolet to total solar radiation. Solar Energy Research Institute. https://www.nrel.gov/docs/legosti/old/3895.pdf
Robert, D., & Malato, S. (2002). Solar photocatalysis: a clean process for water detoxification. Science of the total environment, 291(1-3), 85-97. https://doi.org/10.1016/S0048-9697(01)01094-4
Rubiano, C. M., Laguna, W. A., Zapata, C. E., & Marín, J. M. (2005). Estudio sobre las posibilidades de aplicación de la fotocatálisis heterogénea a los procesos de remoción de fenoles en medio acuoso. Gestión y Ambiente, 8 (1), 105-121. http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=169421171002
Samayamanthula, D. R., Sabarathinam, C., & Bhandary, H. (2019). Treatment and effective utilization of greywater. Applied Water Science, 9(4). https://doi.org/10.1007/s13201-019-0966-0
Santos, C., Taveira-Pinto, F., Cheng, C. Y., & Leite, D. (2012). Development of an experimental system for greywater reuse. Desalination, 285, 301-305. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.10.017
Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú. (2003). Atlas de energía solar del Perú. https://repositorio.senamhi.gob.pe/handle/20.500.12542/343
Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú. (2023a). Cálculo del índice UV. https://www.senamhi.gob.pe/public/html/popup-ruv.htm
Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú. (2023b). Pronóstico de radiación UV máximo (cielo despejado y mediodía solar) a nivel nacional. https://www.senamhi.gob.pe/?&p=radiacion-uv
Serpone, N., & Emeline, A. V. (2002). Suggested terms and definitions in photocatalysis and radiocatalysis. International Journal of Photoenergy, 4(3), 93-131. https://doi.org/10.1155/s1110662x02000144
Sheng, Z., Ji, C., & Hua, S. (2018). Application of Siemens PLC and WinCC in the Monitoring-Control System of Bulk Grain Silo. En 2018 Chinese Control And Decision Conference (CCDC), Chinese Control And Decision Conference (CCDC), 2018 (pp. 4689-4693). https://doi.org/10.1109/CCDC.2018.8407942
Siemens. (2016). Módulos de entradas y salidas digitales DI 16x24VDC/DQ 16x24VDC/0.5A. https://acortar.link/ySGzgg
Siemens. (2018). Módulo de entradas analógicas AI 8xU/I/RTD/TC ST. https://cutt.ly/3wRDehvJ
Siemens. (2019a). OPC UA Server & Client. https://cutt.ly/fwRDrmww
Siemens. (2019b). S7-1500, ET 200MP Sistema de automatización. https://cutt.ly/ewRDaIoq
Siemens. (2019c). Which browser can you use for SIMATIC WinCC Unified? - ID: 109757952. https://cutt.ly/awRDsUZm
Siemens. (2021a). How can you use the memory card for the S7 PLC? https://support.industry.siemens.com/cs/images/87133851/fig_1.png
Siemens. (2021b). Siemens TIA Portal V17 Ingeniería más eficiente con más opciones - infoPLC. https://cutt.ly/uwRDdbCq
Siemens. (2022). SIMOTION Motion Control System. https://cutt.ly/YwRDfdQm
Siemens. (2023a). Descarga de la versión de prueba del TIA Portal Test Suite Advanced V18. https://cutt.ly/pwRDgr12
Siemens. (2023b). PLC Programming with SIMATIC STEP7. https://cutt.ly/iwRDhlcd
Siemens AG. (2017). Módulo TIA Portal 052-201 Programación en lenguajes de alto nivel con SCL y SIMATIC S7-1500. https://cutt.ly/JwRDjaTt
Singh, V., Kaur, A., & Gupta, N. C. (2020). Comparative analysis of the filtration potential of light greywater through various media. Malaysian Journal Of Science, 159-172. https://doi.org/10.22452/mjs.vol39no3.12
Soe, Y. Y., & San, P. E. (2019). PID Closed-Loop Control Analysis for Automation with Siemens PLC Using TIA V13. International Journal Of All Research Writings, 2(3), 200-208. http://www.ijciras.com/PublishedPaper/IJCIRAS1361.pdf
Šostar-Turk, S., Petrinić, I., & Simonič, M. (2005). Laundry wastewater treatment using coagulation and membrane filtration. Resources, Conservation and Recycling, 44(2), 185-196. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2004.11.002
Spencer, J. W. (1971). Fourier series representation of the position of the sun. https://cutt.ly/uwRDka3Q
SunEarthTools.com. (2023). Posición del Sol. https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php
Victorin, K., Hellström, K. G., & Rylander, R. (1972). Redox potential measurements for determining the disinfecting power of chlorinated water. Journal of Hygiene, 70(2), 313-323. https://doi.org/10.1017/S0022172400022361
Vidal, A., Díaz, A. I., El Hraiki, A., Romero, M., Muguruza, I., Senhaji, F., & González, J. (1999). Solar photocatalysis for detoxification and disinfection of contaminated water: Pilot plant studies. Catalysis Today, 54(2-3), 283-290. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(99)00189-3
Wiltronics. (2016). UV Detection Sensor. https://cutt.ly/4wRDx6LA
Yu, Z. L. T., Rahardianto, A., DeShazo, J. R., Stenstrom, M. K., & Cohen, Y. (2013). Critical review: regulatory incentives and impediments for onsite graywater reuse in the United States. Water Environment Research, 85(7), 650-662. https://doi.org/10.2175/106143013X13698672321580
Zaratti, F., Piacentini, R. D., Guillén, H. A., Cabrera, S. H., Liley, J. Ben, & McKenzie, R. L. (2014). Proposal for a modification of the UVI risk scale. Photochemical and Photobiological Sciences, 13(7), 980-985. https://doi.org/10.1039/c4pp00006d
Zehe, A., & Thomas, A. (2001). Tecnología epitaxial de silicio. BoD–Books on Demand. https://cutt.ly/BwRDvWRa
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