Evaluacion-de-medios-de-empaque-para-un-reactor-que-simula-un-humedal-artificial-asistido-electroqumicamente

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE 
MÉXICO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FACULTAD DE QUÍMICA 
 
EVALUACIÓN DE MEDIOS DE EMPAQUE PARA UN 
REACTOR QUE SIMULA UN HUMEDAL ARTIFICIAL 
ASISTIDO ELECTROQUÍMICAMENTE 
 
T E S I S 
QUE OTORGA EL GRADO DE 
INGENIERA QUÍMICA 
 
P R E S E N T A 
GRISELDA ITZEL ERAZO CORTÉS 
 
MÉXICO, D.F. AÑO 2015 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
JURADO ASIGNADO: 
PRESIDENTE: Dra. María del Carmen Durán Domínguez de Bazúa 
VOCAL: M. en A I. Landy Irene Ramírez Burgos 
SECRETARIO: M. en C. Rolando Salvador García Gómez 
1er. SUPLENTE: Dra. Marisela Bernal González 
2do. SUPLENTE: Dr. José Agustín García Reynoso 
 
 
SITIO DONDE SE DESARROLLÓ EL TEMA: 
Laboratorios 301-303 de Ingeniería Química Ambiental y de Química Ambiental, 
Conjunto E. Facultad de Química, UNAM. México, D.F. 
 
 
 
ASESOR DEL TEMA: 
Dra. María del Carmen Durán Domínguez de Bazúa ________________ 
 
 
 
 
SUPERVISOR TÉCNICO: 
Cand. Dra. María Guadalupe Salinas Juárez __________________ 
 
 
 
 
SUSTENTANTE: 
Griselda Itzel Erazo Cortés _____________________ 
 
 
 
 
Dedicatoria 
 
A mi familia directa e indirecta que me ha acompañado a lo largo de mi 
vida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“La ciencia no es perfecta, con frecuencia se utiliza mal, no es más que una 
herramienta, pero es la mejor herramienta que tenemos, se corrige a sí misma, está 
siempre evolucionando y se puede aplicar a todo. Con esta herramienta conquistamos lo 
imposible.” 
-Carl Sagan 
 
Agradecimientos 
 
La culminación de esta tesis es un esfuerzo en el cual, directa e indirectamente participaron 
distintas personas opinando, corrigiendo, teniéndome paciencia, dándome ánimo, acompañando 
en los momentos de crisis y en los momentos de felicidad. Sin embargo, me permito agradecer a 
aquellas que nunca dejaron de estar conmigo. 
 
Para comenzar, a mis padres, todo esto no hubiera sido posible de no haberme apoyado y dado las 
herramientas para cumplir con cada etapa de mi vida, por enseñarme a ser fuerte, perseverante, 
a saber cómo cultivar mi creatividad y nunca perder la curiosidad. Junto con ellos a mis 
hermanos, que aún con las diferencias son lo que le dan sazón a mi vida. 
 
A mis queridas matriarca Silvia y Chata por su bondad, a mis tíos David, Miguel y Daniel por 
las pláticas divertidas donde el tema es lo de menos y mis tías Cristina y Raquel por mostrarme el 
significado del valor cuando decidieron emprender una nueva aventura lejos de casa. 
 
A Carlos, mi pareja, cómplice y amigo durante ya 6 años, gracias por apoyarme y escucharme; 
por enseñarme el mundo del escultismo donde conocí a los locos Roberto, Manolo (el buen guía que 
me enseño lo básico que sé ahora, jeje), Diana y Melissa que a pesar de las dificultades son ahora 
mi segunda familia; por todas esas reuniones y campamentos a veces con lluvia, frío o hambre, 
donde las estrellas nos recuerdan cuan inmenso es el universo; por la experiencia de estar al 
frente de jóvenes que son siempre un fresco respiro al final de la semana, pero sobre todo, por 
todos los años que nos faltan por recorrer juntos. 
 
De manera especial quiero agradecer al jefe Rodolfo que sin buscarlo es guía y padre de todos en 
el grupo scout, por su alma siempre joven y por mostrarme que aún me falta aprender de la vida. 
 
A mis amigos químicos sin importar el apellido, que hicieron mi estancia en la facultad más 
amena, desde los latosos Javier y Pablo con sus bromas y peculiar forma de quererme, Jesús y 
Karina por enseñarme que si se puede trabajar en equipo, Cristina por mostrarme que aún en la 
adversidad se puede sonreír y finalmente a Surya, por convertirse en mi mejor amiga y creer en 
mí al emprender nuevos desafíos. 
 
A los doctores Leo, Víctor, José Manuel, Lupita y la maestra Tanía, por compartir su experiencia 
tanto académica como personal, por la ayuda brindada y los festejos divertidos dentro y fuera del 
laboratorio. 
 
A mi tutora, la Dra. Ma. Del Carmen Durán Domínguez de Bazúa y a los maestros Landy y 
Rolando por su tiempo dedicado a la revisión y corrección de esta tesis, así como al personal 
auxiliar de los laboratorios de Ingeniería Química Ambiental y Química Ambiental, por las 
facilidades brindadas durante mi estadía. Junto con ellos a los Programas de Apoyo a Proyectos 
para la Innovación y Mejoramiento de la Enseñanza (PAPIME), “Apoyo a la enseñanza 
experimental de los laboratorios terminales de las carreras que se imparten en la Facultad de 
Química de la UNAM”, “Apoyo a la enseñanza experimental de las asignaturas terminales de las 
carreras que se imparten en la Facultad de Química de la UNAM” y “Desarrollo de material 
didáctico para las asignaturas ingeniería ambiental y estancia académica de la carrera de 
ingeniería química con base en estudios de caso” Claves EN103704, PE101709 y PE-100514, 
respectivamente, de la Dirección General de Asuntos del Personal Académico de la UNAM, 
DGAPA, por los consumibles y material empleado durante la experimentación. 
 
A todos ustedes muchas gracias. 
 
i 
ÍNDICE 
 
RESUMEN V 
ÍNDICE DE FIGURAS VI 
ÍNDICE DE TABLAS IX 
GLOSARIO DE TÉRMINOS X 
CAPÍTULO 1. PROBLEMÁTICA 1 
1.1. INTRODUCCIÓN 1 
1.1.1. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 1 
1.1.2. RELACIÓN AGUA-ENERGÍA 3 
1.1.3. RETOS ENERGÉTICOS 4 
1.1.3.1. Energías renovables en México 5 
1.2. OBJETIVOS 8 
1.2.1. OBJETIVO GENERAL 8 
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 9 
1.3. HIPÓTESIS 9 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 10 
2.1. INTRODUCCIÓN 10 
2.1.1. HUMEDALES ARTIFICIALES 10 
2.1.1.1. Mecanismos de depuración 11 
2.1.1.1.1. Remoción de sólidos en suspensión 11 
2.1.1.1.2. Eliminación de materia orgánica 12 
2.1.1.1.3. Eliminación de nutrientes 13 
2.1.1.1.4. Eliminación de patógenos 14 
2.1.2. MEDIOS DE EMPAQUE 15 
2.2. CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA VEGETAL (CCMV) 17 
2.2.1. ORÍGENES 17 
2.2.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 18 
2.2.3. MEDIO DE EMPAQUE EN UNA CCMV 21 
ii 
2.3. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL TEZONTLE Y DEL GRAFITO 23 
2.3.1. TEZONTLE 23 
2.3.2. GRAFITO 23 
2.4. ELECTRODOS DE GRAFITO 24 
CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA 26 
3.1. DISEÑO Y DETERMINACIÓN DE LOS COMPONENTES DE LOS REACTORES 26 
3.1.2. DISEÑO FÍSICO 27 
3.1.3. COMPOSICIÓN DE LOS REACTORES 30 
3.2. DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS FÍSICOS DE LOS SUSTRATOS (DENSIDAD, 
POROSIDAD Y CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA) 32 
3.2.1.DENSIDAD 33 
3.2.2.POROSIDAD 36 
3.2.3. CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA 36 
3.3. PREPARACIÓN DEL MATERIAL DE SOPORTE PARA LOS REACTORES 38 
3.3.1. GRAFITO 38 
3.3.2. TEZONTLE 39 
3.4. CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL A EMPLEAR 40 
3.5. INSTALACIÓN DE LOS REACTORES EXPERIMENTALES 41 
3.6. SEGUIMIENTO DEL SISTEMA EXPERIMENTAL 45 
3.7. ANÁLISIS DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) 48 
3.8. ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES 49 
CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 51 
4.1. DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS FÍSICOS DE LOS SUSTRATOS 51 
4.2. SEGUIMIENTO DEL SISTEMA EXPERIMENTAL 52 
4.2.1. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS 52 
4.2.1.1.Temperatura 52 
4.2.1.2. POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUCCIÓN 55 
4.2.1.3. VALOR DE PH 58 
4.2.1.4. VOLTAJE EN CIRCUITO ABIERTO (C.A.) 59 
iii 
4.2.1.5. VOLTAJE-REDOX-TEMPERATURA 62 
4.2.2 EQUIPO DE CAMPO 69 
4.2.2.1. TEMPERATURA 70 
4.2.2.1.1. Temperatura de reactores 70 
4.2.2.1.2. Temperatura ambiente 71 
4.2.2.2. VALOR DE PH 73 
4.2.2.3. CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA 75 
4.2.2.4. VOLTAJE EN CIRCUITO ABIERTO 78 
4.2.2.5. LUMINOSIDAD 78 
4.2.2.6. VALOR DE PH-TEMPERATURA-CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA 81 
4.3. DETERMINACIÓN DE DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) 85 
4.4. ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS DATOS SOBRE LOS MEDIOS DE EMPAQUE 87 
5. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS 92 
5.1. CONCLUSIONES 92 
5.2. PERSPECTIVAS 95 
ANEXOS 96 
ANEXO I. PARÁMETROS FÍSICOS 96 
A.I.I. DENSIDAD REAL 96 
A.I.II. DENSIDAD APARENTE Y POROSIDAD 98 
A.I.III. CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA 99 
A.I.III.I. Construcción del dispositivo de conductividad hidráulica 99 
ANEXO II. DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) 102 
A.II.I. METODOLOGÍA 102 
A.II.II. VALORES DETERMINADOS 104 
ANEXO III. PARÁMETROS MEDIDOS 106 
A.III.I. CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA, TEMPERATURA Y VALORES DE PH 106 
A.III.II. LUMINOSIDAD 110 
A.III.III. TEMPERATURA AMBIENTE 111 
ANEXO IV. ANÁLISIS ESTADÍSTICOS 113 
iv 
ANEXO V. DISPOSICIÓN CONTROLADA DE LOS RESIDUOS PRODUCIDOS EN ESTA 
. INVESTIGACIÓN 116 
A.V.I. ANÁLISIS DE DQO 116 
A.V.II. REACTORES Y COMPONENTES 117 
BIBLIOGRAFÍA 118 
 
v 
Resumen 
 
En esta tesis se llevó a cabo la evaluación de dos diferentes medios de empaque 
en un conjunto de reactores que simularon un humedal artificial asistido 
electroquímicamente, que es semejante a una celda de combustible microbiana 
vegetal (en adelante, CCMV), que tienen por objetivo la producción de electricidad 
in situ y el tratamiento de un agua residual sintética. Se instalaron cuatro 
reactores. Los medios de empaque que se utilizaron fueron grafito granular de 
3mm y tezontle con un tamaño de partícula de 5mm. La especie vegetal que se 
empleó fue Phragmites australis comúnmente conocida como carrizo. La 
configuración del sistema fue de dos reactores con grafito y dos con tezontle y 
estos, a su vez, tuvieron especie vegetal solamente en uno de ellos. Se dio el 
seguimiento del comportamiento, midiendo los siguientes parámetros, el voltaje en 
circuito abierto (C.A.), el valor de pH, el potencial redox, la temperatura y la 
conductividad eléctrica. Para estos últimos se emplearon dos métodos, el primero 
con un sistema de adquisición de datos con seguimiento las 24 horas del día y el 
segundo con un equipo de campo cada tercer día. Asimismo, se hizo el análisis de 
la demanda química de oxígeno (DQO) cada tercer día. Los resultados mostraron 
que de los dos medios de empaque que se estudiaron, ninguno cumplió con la 
función de depurar el agua residual sintética dosificada y de producir electricidad 
de manera simultánea. Sin embargo, todos los reactores en algún momento 
produjeron electricidad, siendo 593mV y 241mV los valores máximos registrados 
para los reactores sin especie vegetal de grafito y tezontle respectivamente. De los 
factores externos estudiados, la temperatura ambiente fue la más influyente y de 
los parámetros registrados se observó una relación entre el pH, la temperatura y la 
conductividad eléctrica. Para el parámetro de DQO, los reactores de tezontle 
tuvieron un desempeño más favorable a los del grafito, alcanzando el 80% en 
remoción. 
Palabras clave: Medios de empaque, tezontle, grafito granular, reactor que simula 
un humedal artificial asistido electroquímicamente 
vi 
Índice de Figuras 
 
Fig. 1. Composición de una CCM de cámara doble (Modificada de Revelo et al., 
2013) 18 
Fig. 2. Principio de funcionamiento de una CCMV 21 
Fig. 3. Dimensiones de los reactores experimentales 30 
Figs. 4a y b: 4a. Muestra de rizoma horizontal con raíces finas y presencia de 
brotes nuevos y 4b. Muestra de rizoma vertical con raíces 
gruesas. Especie vegetal: Phragmites australis 31 
Figs. 5a y b: 5a. Componentes del reactor de estudio, 5b. Imagen isométrica del 
reactor 32 
Fig. 6. Uso del picnómetro para la determinación de la densidad real de los medios 
de empaque 34 
Fig. 7. Uso de probeta para la determinación de la densidad aparente de los 
medios de empaque 35 
Fig. 8. Dispositivo para la determinación de la conductividad hidráulica 38 
Figs. 9a y 9b: Proceso de tamizado del grafito en polvo para la reducción del polvo 
fino. 9a. Grafito granulado con diámetro mayor a 1 mm, 9b. Grafito 
en polvo fino menor a 1 mm de diámetro 38 
Figs. 10a-c. Proceso de lavado del tezontle: el agua no debe mostrar coloración 
naranja o materia orgánica suspendida 39 
Fig. 11. Esterilización del tezontle empleando una autoclave 40 
Figs. 12a-c: 12a. Conexión del cable al electrodo, 12b y 12c. Colocación de la 
cubierta filtrante 43 
Figs. 13a-13h. Instalación del reactor PTZ. 13a. Sellado de uniones, 13b. 
Colocación de la primera parte del medio de empaque, 13c. 
Colocación del ánodo, 13d. Medición de los 10cm de separación 
entre electrodos, 13e Acoplamiento de la especie vegetal, 13f. 
Segunda parte del medio de empaque, 13g y 13h. Instalación del 
cátodo. 44 
Fig. 14. Sistema de medición de voltaje en circuito abierto (VCA). Donde el cátodo 
(C) está conectado en serie a una línea neutra (N) de referencia, el ánodo 
vii 
(A) se conecta a la tarjeta de adquisición (TA), enlazada a su vez a la 
computadora. Tm es la terminal de medición manual, para la rectificación 
de los valores con un multímetro digital 46 
Fig. 15. Sistema de medición de los parámetros de pH, temperatura (T) y potencial 
redox (R). Los sensores se conectan a una caja de terminales enlazada a 
la tarjeta de adquisición (TA) conectada a su vez con la computadora 46 
Fig. 16. Muestras de los tubos con muestra para la determinación de la materia 
orgánica medida como DQO después de la digestión 49 
Fig. 17. Gráfica de temperaturas promedio de los reactores 54 
Fig. 18. Gráfica de los potenciales redox promedio 57 
Fig. 19. Gráfica del voltaje en circuito abierto promedio (mV), durante la operación 
del sistema experimental 61 
Fig. 20. Gráfica comparativa de los valores de redox, temperatura y voltaje en 
circuito abierto, para los periodos donde se presentaron valores positivos 
de voltaje 64 
Fig. 21. Gráfica de voltaje en circuito abierto y potencial redox, para el reactor 
PTZ. Fecha 7/11/14, día 63 de experimentación 65 
Fig. 22. Gráfica de voltaje en circuito abierto y potencial redox, para el reactor TZ. 
Fecha 25/10/14, día 50 de experimentación 66 
Fig. 23. Gráfica de voltaje en circuito abierto y potencial redox, para el reactor 
PGR. Fecha 25/10/14, día 50 de experimentación 67 
Fig. 24. Gráfica de voltaje en circuito abierto y potencial redox para el reactor GR. 
Fecha 6/11/14, día 62 de experimentación 68 
Fig. 25. Gráfica de la temperatura de los reactores, durante el seguimiento del 
sistema experimental 70 
Fig. 26. Gráfica de la temperatura ambiental, durante el seguimiento del sistema 
experimental 72 
Fig. 27. Gráfica de valores promedio de pH antes de cambiar influente, durante el 
seguimiento del sistema experimental 73 
Fig. 28. Gráfica de valores promedio de pH después de cambiar influente, durante 
el seguimiento del sistema experimental 75 
viii 
Fig. 29. Gráfica de conductividad eléctrica antes de cambiar el influente, durante el 
seguimiento del sistema experimental 76 
Fig. 30. Gráfica de la conductividad eléctrica después de cambiar el influente, 
durante el seguimiento del sistema experimental. 77 
Fig. 31. Distribución de las zonas para tomar las mediciones de luminosidad, 
durante el seguimiento del periodo experimental 79 
Fig. 32. Gráfica de luminosidad durante el seguimiento del sistema experimental 80 
Fig. 33. Gráfica comparativa del medio de empaque en reactores sin especie 
vegetal 82 
Fig. 34. Gráficacomparativa del medio de empaque de los reactores con especie 
vegetal 83 
Fig. 35. Gráfica comparativa de la presencia de la especie vegetal para los 
reactores con grafito como medio de empaque 84 
Fig. 36. Gráfica comparativa de la presencia de la especie vegetal para los 
reactores con tezontle como medio de empaque 85 
Fig. 37. Remoción de contaminantes disueltos representados como medida de 
DQO en los cuatro reactores 86 
Fig. 38. Análisis de normalidad de los datos de remoción 88 
Fig. 39. Gráficas de análisis del modelo lineal general. 90 
 
 
ix 
Índice de Tablas 
 
Tabla 1. Composición de los reactores de estudio 30 
Tabla 2. Composición del agua residual sintética (ARS) 41 
Tabla 3. Resultados para ambos medios de empaque 51 
Tabla 4. Valores de temperatura (°C) 53 
Tabla 5. Valores temperatura promedio de todos los datos obtenidos 55 
Tabla 6. Valores de potencial redox (mV) 56 
Tabla 7. Valores redox promedio de todos los datos obtenidos 58 
Tabla 8. Valores de pH 59 
Tabla 9. Voltaje en circuito abierto (C.A.) (mV) 60 
Tabla 10. Valores del promedio global de voltaje en C.A. (mV) de cada uno de los 
reactores 62 
Tabla 11. Valores promedio, de periodos con voltaje positivo 63 
Tabla 12. Organización de parámetros utilizados 88 
Tabla 13. Análisis de varianza 89 
Tabla 14. Coeficientes del modelo lineal general 89 
Tabla 15. Valores de la medias 90 
 
x 
Glosario de términos 
 
10 000 Conversión de metros cuadrados a hectáreas (ecuación 1) 
A Ánodo (Figura 14) 
A Área (L2) (ecuación 15) 
A mL de sulfato de amonio ferroso utilizados para el blanco 
(ecuación 16) 
ARS Agua residual sintética 
Asf Área del humedal subsuperficial, ha (ecuación 1) 
B mL de sulfato de amonio ferroso utilizados para la muestra 
(ecuación 16) 
C Cátodo (Figura 14) 
C.A., VCA Voltaje en circuito abierto 
CC Colector de corriente (Figura 5a) 
CCM Celda de combustible microbiana 
CCMV Celda de combustible microbiana vegetal 
Ce Concentración de DBO del efluente, mg/L (ecuación 1) 
Ci Concentración de DBO del influente, mg/L (ecuación 1) 
d Profundidad media, m (ecuación 1) 
DQO Demanda química de oxígeno (ecuación 16) 
EV Especie vegetal (Figura 5a) 
f Porosidad, % (ecuación 14) 
Fo Resultado de la división de la media de la suma de cuadrados 
entre la media del cuadrado de la muestra (p. 50) 
GEI Gases de efecto invernadero 
h Altura de agua (L) (ecuación 15) 
ICE Índice de Consumo Energético 
K Conductividad hidráulica (LT-1) (ecuación 15) 
K Numero de muestras sobre las que se aplican los tratamientos 
estadísticos (p.50) 
k20 Constante de reacción a 20°C (ecuación 2) 
kt Coeficiente de reacción de primer orden, d-1 (ecuación 1) 
kt 
 (ecuación 2) 
L Largo de la muestra de suelo (L) (ecuación 15) 
M Molaridad del sulfato de amonio ferroso (ecuación 16) 
Ma Masa del agregado, g (ecuación 5) 
mA Masa del agua, g (ecuación 10) 
Mp Masa del picnómetro vacío, g (ecuación 5) 
Ms Masa del suelo, g (ecuación 4) 
ms Masa del suelo, g (ecuación 9) 
Mw Masa del agua en el picnómetro, g (ecuación 5) 
Mw1 Masa de agua en el picnómetro, después de introducir el 
agregado, g (ecuación 6) 
N Línea neutra de referencia (Figura 14) 
n Huecos drenables, fracción (ecuación 1) 
xi 
P Masa probeta seca, g (ecuación 9) 
P Valor de la probabilidad 
PM Punto de muestreo (Figura 5a) 
PVC Policloruro de vinilo, por sus siglas en inglés 
Q Caudal (L3 T -1) (ecuación 15) 
q Flujo, m3/d (ecuación 1) 
R Potencial redox (reducción-oxidación) 
r Radio (ecuación 3) 
SAF Sulfato de amonio ferroso (p.100) 
SCD Varianza dentro de las muestras (p.50) 
SCE Varianza entre las muestras (p.50) 
SCT Media global de la muestra (p.50) 
T Temperatura promedio de operación, 18°C (ecuación 2) 
TA Tarjeta de adquisición de datos (Figura 14) 
TDE Transferencia directa de electrones 
TEM Transferencia de electrones mediada 
Tm Terminal de medición manual (Figura 14) 
Va Volumen de agua, cm3 (ecuación 11) 
Vd Volumen de aforo de la probeta, cm3 (ecuación 13) 
Vs Volumen del suelo, cm3 (ecuación 4) 
VIF Variance inflation factor, en inglés (p.87) 
 
Caracteres griegos 
θ Coeficiente de temperatura (ecuación 2) 
Π Pi=3.141516 (ecuación 3) 
ρA Densidad aparente, g/cm3 (ecuación 12) 
ρagua Densidad del agua, temperatura ambiente, g/cm3 (ecuación 11) 
ρreal Densidad real(g/cm3) 
ρsuelo Densidad del suelo, g/cm3 (ecuación 4) 
 
 
 
 
 
Esta tesis usa el punto decimal (DOF, 2009) 
 
 
 
 
1 
CAPÍTULO 1 
 
PROBLEMÁTICA 
 
1.1. Introducción 
 
1.1.1. Tratamiento de aguas residuales 
 
En México, el 88.7% de la población cuenta con el servicio de agua entubada, lo 
cual indica que existe un gran número de habitantes carentes del agua necesaria 
para desarrollar sus actividades diarias (INEGI, 2010). 
 
Esto muestra que el abasto y disponibilidad de agua potable no es equitativa en el 
país y si a eso se le suma la falta de suficientes plantas de tratamiento de agua 
residual que cumplan con la creciente demanda de este líquido vital, se tiene que 
en el año 2012, en las 2,342 plantas de tratamiento en operación en el país se 
trataron 99.8m3/s de agua residual recolectada de los sistemas de alcantarillado. 
Esto representa el 47.5% del total generado que son 210m3/s. De las tecnologías 
empleadas para el tratamiento de las aguas residuales, los lodos activados son el 
proceso de mayor uso con un 55.42% de implementación en las plantas de 
tratamiento, seguidas de las lagunas de estabilización, los tratamientos primarios 
avanzados, las lagunas aireadas, los filtros biológicos, los sistemas duales 
(biofiltros-lodos activados), y con un 1.58% otros métodos (CONAGUA, 2013). 
 
Dentro de los métodos no convencionales se encuentran los humedales artificiales 
que surgen como resultado de la búsqueda de tecnologías de depuración de 
aguas con un gasto energético mínimo, que requieran poca formación técnica para 
el mantenimiento y operación, que sean eficaces en el cumplimiento de la 
normativa incluso cuando se produzca un incremento en la carga de 
2 
contaminantes y, por último, que simplifiquen el tratamiento de lodos, que es uno 
de los problemas ambientales más importante en las plantas depuradoras 
convencionales. 
 
Aquí es donde el medio de empaque en los humedales artificiales como método 
para el tratamiento de aguas residuales cobra interés, ya que una de sus 
funciones es ayudar a la eliminación de los sólidos coloidales, teniendo una baja 
cantidad de lodos residuales. Por ejemplo, un sustrato que puede ser 
implementado es el carbón activado granular gastado que ha sido utilizado de 
manera exitosa previamente como tratamiento terciario para las aguas residuales 
municipales y de la industria. Al ser empleado para adsorber pequeñas cantidades 
de orgánicos solubles y componentes inorgánicos tales como nitrógeno, sulfuros y 
metales pesados remantes en el agua residual después de los tratamientos 
biológicos o los fisicoquímicos, una vez que la adsorción ocurre cuando las 
moléculas se adhieren a las paredes internas de los poros en las partículas de 
carbón producido por la activación térmica, la cual es una de las ventajas de este 
material, puesto que después de ser saturado en sus poros, se puede someter a 
un tratamiento con calor para oxidar la materia orgánica que pudiera estar 
saturando los poros, haciéndolo nuevamente disponible para ser usado 
nuevamente (EPA, 2003.1). Naturalmente, llega un momento en que ya no puede 
ser reutilizado y es cuando podría servir como soporte de los organismos 
fotoautótrofos (plantas fotosintéticas, microalgas, cianobacterias y bacterias 
fototrópicas) y microorganismos que conforman un humedal artificial. 
 
Otro material ampliamente utilizado como sustrato en los humedales artificiales 
para el tratamiento de aguas residuales es el tezontle, que es una roca volcánica 
cuyos poros son de empaquetamiento simple, al no estar ocluidos1 no tienen 
intercambio de fluidos, sin embargo los poros retienen entre55 y 70% de 
humedad gravimétrica, lo que significa que tienen interconexión (Rodríguez-Díaz 
et al., 2013). Una de las propiedades por las cuales el tezontle es un buen sustrato 
 
1 Ocluido: Cerrado u obstruido 
3 
es la presencia de microporos que permite el establecimiento de microcolonias de 
organismos que favorecen la remoción de contaminantes presentes en el agua 
residual a tratar (Yañez-Ocampo et al., 2011). 
 
1.1.2. Relación agua-energía 
 
Con respecto al impacto económico del uso y disposición del agua para las 
diversas actividades antropogénicas, el Índice de Consumo Energético (ICE) del 
ciclo integral de uso del agua equivale a 1.32 kWh por cada metro cúbico. Este 
índice contempla el gasto energético para llevar agua potable a los consumidores, 
más el gasto energético para drenar, tratar y expulsarla de la respectiva cuenca. 
En términos desagregados, el bombeo de agua potable tiene un ICE de 1.23 
kWh/m3; el drenaje consume 0.05 kWh/m3 y las plantas de tratamiento de agua 
residual (PTAR) cuentan con un ICE de 2.46 por kWh/m3 (CMM, 2011). 
 
En el marco mundial del mercado del tratamiento de agua residual, las plantas de 
distribución de agua potable y equipos de uso doméstico e industrial fueron 
valoradas en 2013 en 557,000 millones de dólares. A modo de comparación 
rápida con la cifra que cuesta hacerse de plantas de tratamiento de agua residual 
que cumplan con la demanda de agua potable, el mercado mundial de energía fue 
valorado ese mismo año en alrededor de 6 billones de dólares (UNESCO, 2014). 
 
Estas estadísticas revelan un panorama mundial preocupante con respecto a la 
relación agua-energía, ya que para cumplir con el abasto de agua potable para las 
actividades diarias de las grandes urbes y zonas rurales, se requiere de energía 
para su distribución, tratamiento y descarga. Las técnicas de transformación de 
energía a electricidad por métodos convencionales implican la producción de 
emisiones de residuos dañinos al ambiente. Es por ello que se requiere de la 
implementación de tecnologías más limpias (que no generen emisiones de gases 
de efecto invernadero) cuya eficiencia permita mantener la oferta energética 
conforme avanza el tiempo y la población mundial siga en crecimiento. 
4 
1.1.3. Retos energéticos 
 
A pesar de que en los últimos años se han llevado a cabo importantes acciones 
que han permitido mejorar considerablemente la situación del sector energético 
mexicano, incentivando la participación de las energías renovables, aún restan 
importantes retos por resolver en el sector (SENER, 2013). De 2000 a 2011, el 
consumo de energía en el país creció a un promedio anual de 2.08%. Por su 
parte, la producción de energía primaria2 disminuyó a una tasa anual de 0.3%. De 
continuar estas tendencias, tanto en consumo como en transformación de energía, 
para el año 2020 México se convertiría en un país estructuralmente deficiente en 
energía (SENER, 2013). Adicionalmente, México enfrenta retos en materia 
ambiental como consecuencia de la generación y del uso de la energía. 
 
Se entiende por energía la capacidad de un cuerpo de realizar un trabajo. Puede 
manifestarse en diferentes formas y, entre ellas, se tienen la energía térmica, 
nuclear, mecánica, cinética, solar, eléctrica entre otras (González-Arias, 2006). La 
energía eléctrica se ha posicionado durante el último siglo como la más importante 
de todos los tipos de energía conocidos, no solamente por su versatilidad, sino 
también por su facilidad de uso. El desarrollo de la tecnología para la generación 
de electricidad ha permitido un aumento en los niveles de calidad de vida de la 
población mundial y si se realiza una comparación entre los beneficios y los 
perjuicios ocasionados por la aplicación de la energía eléctrica en nuestras 
sociedades, se debe tener en cuenta que el desarrollo económico y social, los 
medios y métodos de comunicación, el acceso al agua potable, y la expectativa de 
vida, se encuentran condicionados por ella. 
 
Todas las formas de generación de electricidad a gran escala afectan de alguna 
manera al ambiente. Así, la mayor parte de las emisiones del sector proceden de 
las centrales eléctricas que utilizan carbón o petróleo como combustible. No 
 
2 Energía primaria: es toda forma de energía disponible en la naturaleza antes de ser convertida o 
transformada. Sitio web: Energía primaria y secundaria. Recuperado el 9 de febrero de 2015, 
http://www.appa.es/01energias/07primaria.php 
http://www.appa.es/01energias/07primaria.php
5 
obstante, las plantas que operan con base en gas natural emiten una gran 
cantidad de óxidos de nitrógeno (NOx) y de bióxido de carbono, catalogados como 
gases de efecto invernadero. Las grandes centrales hidroeléctricas pueden 
desplazar comunidades enteras, destruir o degradar hábitats y dañar a las 
poblaciones nativas de peces y de otras especies silvestres, tanto de flora como 
de fauna. Las plantas nucleares representan riesgos a la seguridad y a la salud en 
virtud de su operación, así como durante el transporte del combustible usado. 
Incluso las instalaciones de energía eólica, dependiendo de su ubicación y de la 
tecnología empleada, pueden dar lugar a preocupaciones estéticas y más aún, en 
relación con las aves silvestres y otras formas de vidas incluidos los propios seres 
humanos con la radiación no ionizante (Kabuto et al., 2006). 
 
Determinar el impacto ambiental de las distintas formas de generación de 
electricidad ha resultado ser una tarea por demás desafiante, dadas las 
dificultades para cuantificar los efectos en el ambiente de las diversas fuentes y 
tecnologías a lo largo de su ciclo de vida (CCA, 2002). Por ello, es necesario 
tomar acción pronta para reducir los riesgos implicados con la generación eléctrica 
y asociados con el cambio climático. Lo anterior requiere de una reducción 
considerable en las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) al tiempo que 
se identifique y reduzca la vulnerabilidad de la población mundial ante el cambio 
climático (SENER, 2013). 
 
1.1.3.1. Energías renovables en México 
 
Para lograr esta meta, las energías renovables hoy en día presentan un camino a 
la mitigación de los efectos negativos al ambiente causados por la generación de 
electricidad, por ser energías más limpias que funcionan a partir de fuentes 
naturales que son inagotables. Con esto se hace frente a los efectos 
contaminantes y el agotamiento de los combustibles fósiles. Entre las energías 
renovables se encuentran la solar, eólica, geotérmica, undimotriz, el hidrógeno y la 
biomasa. 
6 
De acuerdo con el balance nacional de energía de 2012 el consumo per cápita fue 
de 75.18 GJ anual, con un aumento de 0.8% con respecto al anterior. Se pudo 
cumplir con esta demanda al conseguir la transformación de 9,073.83 PJ3 de 
energía primaria. Aunado a esto las emisiones de la industria energética que están 
conformadas por las asociadas a la generación de electricidad y las que se 
derivan del consumo propio; es decir; la energía que las empresas energéticas 
utilizan para el funcionamiento de sus instalaciones aportaron 31.6% de las 
emisiones por consumo de combustibles en 2012, con 144.26 Tg4 de CO2 que 
como se sabe es un GEI. Los sistemas que se utilizan para generar electricidad 
son coquizadoras, hornos, refinerías, plantas de gas, centrales eléctricas y 
centrales eléctricas con autogeneración (SENER, 2013). 
 
En la actualidad existe una desigualdad regional en cuanto a la infraestructura y 
abastecimiento de los recursos energéticos con los que cuenta el país. Por ello, se 
requiere mejorar el suministro de éstos en todo el territorio nacional para posibilitar 
el aprovechamiento de las oportunidades que se presentan en las regiones con 
recursos energéticos y se logre la creación de polos dedesarrollo industrial. De 
esta forma se generarían las condiciones que permitirían un desarrollo económico 
nacional más uniforme (SENER, 2013). Las estadísticas indican que el 98.2% de 
la población del país cuenta con el suministro de electricidad; sin embargo, no se 
informa de la calidad del servicio. 
 
Para el año 2012, las energías renovables en México aportaron 6.9% de la 
energía total producida de manera anual. Entre estas tecnologías se encuentran la 
geoenergía, eólica, fotovoltaica, hidroenergía y la biomasa que consiste en el 3.9% 
del total (SENER, 2013). En 2012, la capacidad instalada para la generación de 
energía eléctrica con fuentes renovables fue de 14,501 MW, de los cuales, el 86% 
son para servicio público y el 14% para permisionarios. El país tiene 253 centrales 
en operación y en construcción para la transformación de energía eléctrica con 
fuentes renovables. Los proyectos de energías renovables tienen presencia en el 
 
3 PJ=Un petajoule es equivalente a 1015 J 
4 Tg=Un teragramo es igual a un millón de toneladas o 1012 g 
7 
90% de las entidades federativas del país; sin embargo, Oaxaca y Veracruz son 
los estados con mayor número de proyectos eólicos y de bioenergía, 
respectivamente (SENER, 2013). 
 
Las energías renovables en México comienzan a ser tema de interés y a pesar de 
que desde el año 2000 existen estrategias para su aprovechamiento, no han 
tenido aún el financiamiento suficiente por parte del gobierno así como de las 
instituciones privadas para su implementación, por tener, en algunos casos, altos 
costos de instalación y arranque con respecto a las tecnologías tradicionales. 
 
En el año 2008, en México se decretó la Ley de aprovechamiento de energías 
renovables y financiamiento de la transición energética, donde se definen las 
energías renovables como aquellas cuya fuente reside en fenómenos de la 
naturaleza, procesos o materiales susceptibles de ser transformados en energía 
aprovechable para la humanidad, que se regeneran naturalmente, por lo cual se 
encuentran disponibles en forma continua o periódica. En esta clasificación se 
encuentran: el viento, la radiación solar, el movimiento del agua con cauces 
naturales o artificiales, la energía oceánica en todas sus formas, yacimientos 
geotérmicos, los bioenergéticos, etc. (DOF, 2013). 
 
Los bioenergéticos se definen en la Ley de promoción y desarrollo de los 
bioenergéticos, como combustibles obtenidos de la biomasa provenientes de 
materia orgánica de las actividades, agrícola, pecuaria, silvícola, acuacultura, 
residuos domésticos, comerciales, industriales, de microorganismos y de enzimas, 
así como sus derivados, producidos por procesos tecnológicos sustentables, etc. 
(DOF, 2008). En esta clasificación se incluyen entonces, a las celdas de 
combustible microbianas que son dispositivos electroquímicos de generación 
eléctrica a partir de biomasa. 
 
Si se integra la tecnología de las celdas de combustible microbianas al diseño de 
los humedales artificiales se obtiene un sistema que se clasificaría como bio-
8 
energético, dado que este sistema generaría electricidad a partir de biomasa (la 
materia orgánica presente en el agua residual y la proveniente de la planta). A 
este sistema se le llama: humedal artificial asistido electroquímicamente. En su 
etapa de investigación, es conveniente analizar el efecto que tiene el medio de 
empaque en la generación eléctrica y el resultado obtenido en la depuración del 
agua residual, considerando que ese es el primer fin del humedal artificial. Es 
importante observar las implicaciones físico-químicas del empaque y su 
desempeño como bloqueador o portador de partículas cargadas. 
 
Dado el contexto anterior, en la presente investigación se plantea comparar dos 
medios de empaque para el sistema mencionado, que colaboraría con la 
producción de electricidad, generando electricidad in situ y, simultáneamente, 
llevando a cabo la depuración del agua residual, que ya tratada puede ser 
reutilizada en labores de limpieza del hogar, en el mantenimiento del jardín o 
simplemente para descargarla a los cuerpos de agua con un nivel de depuración 
aceptable de acuerdo con la legislación aplicable. Este tipo de tecnología está 
pensada para zonas donde el abasto tanto de energía, como de agua, es limitado, 
dada su lejanía. No obstante recientes investigaciones tratan de que sea 
implementada en las ya conocidas azoteas verdes, con lo que también 
coadyuvaría a mejorar la calidad de vida y el funcionamiento de las grandes urbes 
(Wolfs, 2014). 
 
1.2. Objetivos 
 
1.2.1. Objetivo general 
 
Determinar el desempeño de dos medios de empaque para el tratamiento de un 
agua residual sintética y la generación de electricidad simultáneamente en un 
reactor que simula un humedal artificial asistido electroquímicamente a escala de 
laboratorio. 
 
9 
1.2.2. Objetivos específicos 
 
 Evaluar el desempeño del sistema experimental con respecto a la remoción de 
materia orgánica y a la generación eléctrica utilizando grafito y tezontle como 
medios de soporte. 
 Determinar la influencia de los parámetros de caracterización de la celda (pH, 
conductividad eléctrica, temperatura de los reactores) sobre la remoción de 
materia orgánica y la generación eléctrica. 
 Determinar la influencia de las condiciones ambientales (iluminación y 
temperatura) en la potencia eléctrica y voltaje generados. 
 Determinar la influencia de los materiales empleados como medio de soporte 
con base en sus características particulares de conductividad hidráulica y de 
área superficial, sobre la remoción de materia orgánica y de generación 
eléctrica. 
 
1.3. Hipótesis 
 
El grafito granular así como el tezontle representan dos opciones adecuadas para 
constituir el medio de empaque en reactores a escala de laboratorio que simulan 
un humedal artificial asistido electroquímicamente, de modo que se lleve a cabo la 
depuración del agua residual y la generación de electricidad, esperando una 
generación mayor en el reactor en el que se emplee grafito granular, dadas sus 
características conductoras de electricidad. En cuanto a la remoción, por las 
propiedades de los materiales, el grafito sobresaldrá. 
 
Los factores que más afectarán la generación eléctrica y la remoción serán la 
temperatura y el pH. A su vez, de los factores externos, la temperatura ambiente 
tendrá mayor importancia que la luminosidad. 
 
10 
CAPÍTULO 2 
 
MARCO TEÓRICO 
 
2.1. Introducción 
 
2.1.1. Humedales artificiales 
 
Los humedales naturales son medios semiterrestres con un elevado grado de 
humedad y una profusa vegetación. Éstos reúnen ciertas características 
biológicas, físicas y químicas, que les confieren un elevado potencial 
autodepurador. Los humedales naturales pueden alcanzar una gran complejidad, 
con un volumen de agua, vegetación sumergida, vegetación flotante, vegetación 
emergente y zonas de nivel freático más o menos cercano a la superficie (Llagas-
Chafloque y Gómez, 2006). En cambio, un humedal artificial puede ser empleado 
como un sistema de tratamiento de agua residual consistente en un estanque o 
cauce poco profundo construido por el hombre, en el que se han sembrado 
plantas acuáticas y cuentan con los procesos naturales para tratar el agua 
residual. Los humedales construidos tienen ventajas respecto de otros sistemas 
de tratamiento debido a que requieren poca o ninguna energía (suministro de 
electricidad) para operar (EPA, 2003.2). 
 
Existen diferentes tipos de humedales artificiales en función del flujo del agua que 
contienen. A continuación se describe cada tipo (EPA, 2003.3): 
 
1. Humedales artificiales de flujo libre o superficial: En este tipo de humedales, 
el agua circula por encima del sustrato continuamente. Se favorecen las 
condiciones aerobias al estar el agua directamente expuesta ala atmósfera. 
Se emplean para tratar efluentes procedentes de tratamientos secundarios 
y para crear y restaurar ecosistemas acuáticos. 
11 
2. Humedales artificiales de flujo subsuperficial: Aquí, el agua circula a través 
del sustrato. En la mayoría de los casos se usan para el tratamiento de 
aguas residuales generadas en núcleos de población de menos de 2000 
habitantes. 
3. En función del sentido del flujo, pueden ser horizontales o verticales. 
3.1. Humedales artificiales de flujo subsuperficial vertical: En este 
tipo, el agua circula verticalmente a través del sustrato de 
manera intermitente. Se suelen incluir chimeneas de aireación 
para favorecer las condiciones aerobias. Se suelen desarrollar 
procesos de nitrificación, entre otros. 
3.2. Humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal: Aquí, 
el agua circula horizontalmente a través del sustrato de 
manera continua. Se favorecen las condiciones anaerobias al 
mantenerse el nivel del agua por debajo del sustrato. Se 
suelen desarrollar procesos de desnitrificación, entre otros. 
La elección de instalar un tipo de humedal frente a otro radica en la composición 
de las aguas residuales y los objetivos de depuración. En muchas ocasiones se 
utiliza una combinación de diferentes tipos de humedales. Por ejemplo, si se 
quiere eliminar nitrógeno lo más conveniente sería hacer pasar el agua residual 
primero por un humedal de flujo subsuperficial vertical para logar la nitrificación y 
después por un humedal de flujo subsuperficial horizontal para alcanzar la 
desnitrificación. 
 
2.1.1.1. Mecanismos de depuración 
2.1.1.1.1. Remoción de sólidos en suspensión 
 
En la eliminación de materia de suspensión mediante humedales artificiales de 
flujo superficial intervienen procesos de sedimentación y filtración. La 
sedimentación se da por el paso de las aguas por todo el sistema atravesando los 
tallos y los restos de vegetación caídos. Para tener rendimientos altos en la 
12 
suspensión de sólidos se requiere de disponer de zonas de vegetación abundante, 
considerando no exceder el máximo de tal forma que se produzca la eutrofización 
del sistema por falta de aireación (Kadlec et al., 2000). 
En los humedales de flujo sub-superficial, la eliminación de la materia coloidal, es 
por fenómenos de filtración. Este tipo de retención se da por tres motivos: la 
velocidad del agua, las fuerzas de adhesión entre partículas y las constricciones 
del flujo por el medio granular así como el entramado de raíces y rizomas. Algunos 
estudios han demostrado que hay acumulación neta de sólidos recalcitrantes a 
largo plazo. Esto supone, que incluso bien diseñados, no se puede predecir la vida 
útil media real de este tipo de instalaciones, a consecuencia de la influencia de 
múltiples factores externos durante la operación del sistema. Los valores 
habituales de eliminación de sólidos suspendidos coloidales se encuentran en el 
intervalo de 85-95% si se encuentra bien diseñado (Pidre-Bocardo, 2010). 
 
2.1.1.1.2. Eliminación de materia orgánica 
 
La materia orgánica, presente en forma de materia en suspensión sedimentable, 
irá decantando paulatinamente en los humedales y experimentará procesos de 
degradación biológica. 
 
En las distintas modalidades de humedales artificiales se dan zonas con presencia 
y ausencia de oxígeno molecular, por lo que la acción de las bacterias sobre la 
materia orgánica tiene lugar, tanto a través de procesos biológicos aerobios como 
anaerobios. En el caso de la degradación aerobia, una fracción de materia 
orgánica es oxidada por la biota bacteriana, que obtiene de esta forma la energía 
necesaria para su mantenimiento (Pidre-Bocardo, 2010). 
 
En los humedales artificiales de flujo superficial, la principal fuente de aportación 
de oxígeno al agua viene de los fenómenos de reaireación superficial, provocados 
por el viento. En este tipo de humedales, la aportación de oxígeno por las propias 
plantas acuáticas tiene menor importancia, dada que la zona donde éste se libera 
13 
(rizomas y raíces), se encuentra dentro del propio sustrato, por debajo de la 
columna de agua y casi todo el oxígeno aportado por las plantas se consume por 
la demanda existente en los sedimentos presentes en el fondo del humedal. 
 
En el caso de los humedales de flujo subsuperficial vertical, la oxigenación del 
sustrato que actúa como filtro, al que se encuentran adheridas las bacterias en 
forma de biopelícula, se produce básicamente, por la intermitencia en la 
alimentación de las aguas a tratar y por la propia configuración del sistema, que 
permite, que una vez finalizado un ciclo de alimentación, las aguas discurran en 
sentido descendente a lo largo del sustrato, volviendo el aire a ocupar los huecos 
que van quedando libres como consecuencia de este descenso (Pidre-Bocardo, 
2010). 
 
La vegetación propia de los humedales artificiales, también contribuye a la 
oxigenación, suministrando a través de sus raíces y rizomas parte del oxígeno que 
es producido por la fotosíntesis; sin embargo, la mayor parte de este oxígeno es 
utilizado para el propio consumo de las plantas cuando no hay fotosíntesis (por la 
noche). 
 
En el caso de los humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal, la 
presencia de oxígeno es mucho menor, debido a que el medio se encuentra 
saturado por agua, que desplaza a los gases atmosféricos de los poros, dando 
lugar a un medio anóxico. En este tipo de humedales, la degradación de la materia 
orgánica transcurre por vía anaerobia y anóxica (Pidre-Bocardo, 2010). 
 
2.1.1.1.3. Eliminación de nutrientes 
 
Nitrógeno 
 
En las aguas residuales urbanas, el nitrógeno puede encontrarse principalmente 
en forma orgánica y amoniacal y en mucha menor cantidad como nitritos y 
14 
nitratos. Los procesos que intervienen en la eliminación del amonio son la 
volatilización, adsorción, asimilación y la nitrificación-desnitrificación (Sánchez-
Font, 2009). En los humedales artificiales, la eliminación del nitrógeno en forma 
amoniacal transcurre por dos vías principales (Pidre-Bocardo, 2010): 
 
 Asimilación por las propias plantas: sólo se llega a eliminar el 15-20% del 
nitrógeno amoniacal presente. 
 Procesos de nitrificación-desnitrificación: las formas amoniacales, se 
adsorben de manera temporal sobre las partículas de medio de empaque 
de los humedales artificiales y sobre las partículas orgánicas cargadas 
eléctricamente, mediante mecanismos de intercambio iónico. 
 
Fósforo 
 
De la misma manera que en los sistemas convencionales de depuración, la 
eliminación del fósforo es complicada, alcanzando sólo entre el 10 y 20% de 
remoción. Los mecanismos de eliminación suelen ser de tipo biótico, asimilación 
por parte de las plantas y microorganismos, y abiótico, que incluye la adsorción 
por el medio granular. La pérdida de adsorción del material granular, reduce la 
eficiencia inicial de eliminación de fósforo (Sánchez-Font, 2009). 
 
2.1.1.1.4. Eliminación de patógenos 
 
La eliminación de microorganismos es un proceso de gran complejidad ya que 
depende de factores como la filtración, la adsorción y la depredación (Kadlec et 
al., 2000). Las diversas comunidades microbianas presentes en estos ambientes, 
son las responsables de la mayoría de las transformaciones de los contaminantes 
que son utilizados como nutrientes. La diversidad microbiana se basa en la 
degradación de zonas aerobias-anaerobias en función de la profundidad del 
humedal. 
 
15 
2.1.2. Medios de empaque 
 
Como se expresó anteriormente, el medio de empaque o también llamado sustrato 
de soporte juega un papel importante en el funcionamiento de los humedales. La 
principal característica del medio de soporte es que debe tener la permeabilidad 
suficiente para permitir el paso del agua a través de él. Esto obliga a utilizar 
materiales de tipo granular, principalmente grava seleccionada conun diámetro de 
5 mm aproximadamente y con pocos finos para evitar que los poros se tapen. El 
sustrato, sedimentos y los restos de vegetación en los humedales artificiales son 
importantes por varias razones (Delgadillo et al., 2010): 
 
 Soportan a muchos de los organismos vivientes en el humedal. 
 La permeabilidad del sustrato afecta el movimiento del agua a través del 
humedal. 
 Muchas transformaciones químicas y biológicas (sobre todo microbianas) 
tienen lugar dentro del sustrato. 
 Proporciona un lugar de almacenamiento para muchos contaminantes. 
 La acumulación de restos de vegetación aumenta la cantidad de materia 
orgánica en el humedal. La materia orgánica da lugar al intercambio de 
materia, fijación de microorganismos y es una fuente de carbono que es a 
la vez, la fuente de energía para algunas de las más importantes 
reacciones biológicas en el humedal. 
 
El medio de empaque es responsable directo de la extracción de algunas 
sustancias contaminantes mediante interacciones físicas y químicas. El tamaño 
del medio granular afecta directamente al flujo hidráulico del humedal y por ende 
el caudal de agua a tratar. Si el lecho granular está constituido por elevadas 
cantidades de arcilla y limo, se consigue una mayor capacidad de absorción y una 
mejor filtración, ya que la adsorción es alta y el diámetro de los huecos es 
pequeño. Pero también este medio presenta una elevada resistencia hidráulica y 
16 
requiere de velocidades de flujo muy bajas, limitando el caudal a tratar (Arias-
Triguero, 2004). 
 
El principal, y más grave problema que puede darse en la explotación de un 
humedal artificial de flujo subsuperficial radica en la colmatación del medio de 
empaque (Rousseau et al., 2004), lo que tendrá reflejo en la aparición de charcos 
en la superficie del humedal y en la saturación de condiciones de operación 
anaerobias del fondo del reactor, es decir que se presentará el fenómeno de 
eutrofización a causa de la acumulación de nutrientes y materia orgánica con la 
consiguiente disminución en los rendimientos de depuración, pérdida de 
conductividad hidráulica y de porosidad. 
 
Como se había dicho con anterioridad se utilizan de preferencia suelos granulares 
de tamaño de partícula de aproximadamente 5mm. Entre estos se encuentran 
materiales comunes como son la arena, grava, tezontle y piedras calizas. 
 
Sin embargo debido al crecimiento en el empleo de los humedales artificiales 
como métodos de depuración, en la actualidad se da el uso de diferentes tipos de 
materiales como medio de empaque. Por ejemplo, en estudios hechos por Díaz-
Acero (2014), emplearon partículas de plástico reciclado diseñadas con una 
porosidad de 94%, dando remociones de materia orgánica de 92.5%. En los 
estudios de Luna-Pabello y Ramírez-Carrillo (2004) se usaron mezclas de 
materiales minerales que presentaban carbonato de calcio, óxidos de hierro y 
aluminio, dando como resultado remociones de 90% con respecto al contenido 
inicial de fosfatos y mantuvieron el pH dentro de los límites que marca la 
normatividad. En la tesis de García-Rubio y Leal-Correa (2006); emplearon grava 
de 10mm, semilla de azai, que es un tipo de palma y suelo nativo de la región de 
Bogotá, Colombia. Sin embargo, al final solamente se consideró el suelo nativo 
debido a que los resultados demostraron que la semilla de azai incidió 
negativamente en la calidad del agua por aportar vitaminas, minerales, hierro y 
17 
ácidos grasos, por lo que no se tenían suficientes nutrientes para el correcto 
desarrollo de las especies vegetales empleadas. 
 
2.2. Celda de combustible microbiana vegetal (CCMV) 
 
2.2.1. Orígenes 
 
Las bases sobre las cuales está sustentado el funcionamiento de la celda de 
combustible microbiana vegetal, de ahora en adelante CCMV; parten de la amplia 
investigación acerca de las celdas de combustible microbianas (CCM). En la celda 
de combustible convencional, una reacción de oxidación se lleva a cabo en el 
ánodo y una reacción de reducción en el cátodo. La oxidación libera electrones, 
que viajan al cátodo vía un circuito externo haciendo trabajo eléctrico. El circuito 
es completado por el movimiento de una carga compensada por el electrolito, a 
menudo en forma de iones positivos (Bullen et al., 2006). 
 
Una CCM es un dispositivo que utiliza microorganismos para convertir la energía 
química presente en un substrato en energía eléctrica. Esto es posible cuando 
bajo ciertas condiciones algunos microorganismos transfieren los electrones 
producidos de su actividad metabólica a un electrodo (ánodo) en lugar de un 
aceptor natural de electrones (como el oxígeno) (Revelo et al., 2013). 
 
Una CCM típicamente está compuesta por dos cámaras (Fig. 1), una anaerobia y 
otra aerobia en medio de las cuales hay un separador que es una membrana de 
intercambio de protones. La cámara anaerobia contiene sustratos orgánicos que al 
oxidarse por acción de los microorganismos, generan electrones, protones y CO2. 
En cada una de las cámaras se coloca un electrodo, el ánodo en la cámara 
anaerobia y el cátodo en la cámara aerobia (Du et al., 2007). Una vez que los 
electrones se liberan en la cámara anódica, éstos son captados por el ánodo y 
posteriormente transferidos hacia el cátodo mediante un circuito externo. 
Simultáneamente, en la cámara anódica se generan protones que migran hacia la 
18 
cámara catódica a través del separador (Li et al., 2010), donde se combinan con el 
oxígeno del aire para reducirse a agua con los electrones que captan directamente 
del ánodo, debido a que esta reacción no está catalizada por microorganismos y el 
cátodo se considera como abiótico. 
 
 
Fig. 1. Composición de una CCM de cámara doble (Modificada de Revelo et al., 
2013) 
 
El desempeño ideal de una CCM depende de las reacciones electroquímicas que 
ocurren entre la materia orgánica y el aceptor final, tal como el oxígeno (Oliveira et 
al., 2013). 
 
2.2.2. Principio de funcionamiento 
 
Teniendo como base lo anterior, una CCMV está basada en dos procesos: la 
rizodeposición que consiste en los compuestos orgánicos liberados por las plantas 
a partir de la fotosíntesis y, las reacciones electroquímicas en el ánodo y el cátodo 
de una CCM (Strick et al., 2008). En las CCMV, las plantas crecen con la raíz 
cercana al ánodo, donde las sustancias derivadas de la rizodeposición son los 
sustratos oxidados por las bacterias electroquímicamente activas para generar 
electricidad. 
 
19 
Los mecanismos de transferencia de electrones, de acuerdo con Schröder (2007), 
son: 
 
1. Transferencia directa de electrones (TDE): Ésta toma lugar vía contacto físico 
de la membrana celular de la bacteria con el ánodo de la celda, sin especies 
redox disfuncionales presentes. 
 
2. Transferencia de electrones mediada (TEM): Algunos científicos consideran 
que la TDE es la única opción para una generación de corriente eficiente en las 
CCM; sin embargo, la transferencia mediada representa una manera de 
conectar el metabolismo microbiano al ánodo, entre estos se cuenta con tres 
mecanismos: 
 
2.1. TEM vía exógena (artificial) con mediadores redox: aun cuando las 
bacterias crecen anaerobiamente, presentando un potencial fuertemente 
negativo, la corriente producida es poca; como solución a este problema 
se propuso la introducción de substancias orgánicas o inorgánicas del 
tipo del ferrocianuro de potasio o la benzoquinona para facilitar la 
transferencia de electrones. 
 
2.2. TEM vía metabolitos secundarios: a menudo los microrganismos crecen 
bajo condiciones en donde los aceptores solubles de electrones no 
están disponibles ni los aceptores sólidos están en directo alcance. 
Entonces, los microorganismos pueden usar electrones externos 
disponibles en compuestos como ácidos húmicos o quelatos de metales 
o crear por sí mismos electrones vía caminos metabólicos secundarios. 
 
2.3. TEMvía metabolitos primarios: a diferencia de los metabolitos 
secundarios la producción de metabolitos primarios reducidos está 
asociado con la degradación oxidativa del substrato. Naturalmente, la 
cantidad total de los equivalentes de reducción producida coincide con 
20 
la cantidad de metabolitos oxidados. Para ser utilizable como reductor 
para la oxidación anódica del metabolito tiene que cumplir ciertos 
requisitos. Su potencial redox debe ser tan negativo como sea posible 
(pero dentro del límite impuesto por el potencial de oxidación del 
substrato) y debe ser accesible para la oxidación electroquímica en 
condiciones de CCM. Dentro de este proceso hay dos grandes 
mecanismos: 
 
2.3.1. Respiración anaerobia: En principio, cualquier aceptor terminal de 
electrones que tenga un potencial redox suficientemente negativo al 
electrodo de oxígeno, que es reversible oxidable y que es soluble en 
agua en su forma reducida y oxidada, se puede utilizar para la 
transferencia de electrones anódica en una CCM. La reducción de 
sulfatos es común en la ruta para obtener energía en las bacterias 
anaerobias, especialmente en agua residual para CCM. 
 
2.3.2. Biodegradación: Una gran variedad de procesos biodegradativos y 
foto-heterótrofos como resultado la producción de metabolitos 
reducidos ricos en energía, como el hidrógeno, etanol o formiato. 
Estos compuestos se pueden oxidar directamente en el medio 
microbiano, proporcionando ánodos electrocatalíticos que se utilizan 
para facilitar la oxidación y se toman medidas para prevenir una 
recolección de residuos de los metabolitos por otros procesos 
biológicos. 
 
Hay dos tipos de CCMV, aquellas que como una CCM se encuentra separada por 
una membrana de intercambio protónico (Strick et al., 2008) y la que no está 
separada (Schamphelaire et al., 2008), es decir, cuenta con una sola cámara. 
 
Para este estudio, se optó por no usar una membrana de intercambio protónico 
debido a que se buscó establecer los componentes de un humedal artificial, donde 
21 
el trabajo de remoción y transporte de electrones se vean ayudados por el tipo de 
medio de empaque empleado. 
 
El funcionamiento de la CCMV, se muestra en la Figura 2, en donde el ánodo está 
sumergido en una matriz de soporte, cerca de las raíces de la especie vegetal 
para obtener los exudados como combustible, y el cátodo se localiza por encima 
de la matriz de soporte, para estar en contacto con el aire para obtener el reactivo 
necesario para las reacciones de reducción, el oxígeno. 
 
 
Fig. 2. Principio de funcionamiento de una CCMV 
 
2.2.3. Medio de empaque en una CCMV 
 
Así como en los humedales artificiales el sustrato o medio de empaque juega un 
papel importante para la remoción de la materia orgánica, en una celda de 
combustible microbiana vegetal, intervendrá en la generación de electricidad. 
 
22 
Estudios hechos por Schamphelaire et al. (2008), determinaron que la generación 
de electricidad sí se ve afectada por el medio de empaque. En este estudio se 
utilizó suelo común, gránulos de grafito y vermiculita (mezcla de silicatos de 
aluminio y de hierro-magnesio) como medios de empaque., Los valores 
registrados para circuito cerrado fueron de 28 mA m-2,18 mA m-2 y 17 mA m-2, 
respectivamente, donde se determinó que los mejores medios de empaque fueron 
el grafito y suelo común, por tener una corriente y potencia eléctrica más altas que 
con la generada en los reactores con vermiculita. Además, intervinieron algunos 
factores externos altamente influyentes, como la temperatura y la radiación solar. 
Las celdas de combustible microbianas con sustrato de vermiculita fueron las que 
más altos valores de DQO soluble generaron, que se consideran importantes 
porque representan el aumento de compuestos orgánicos disponibles como 
substrato microbiano en el ánodo. 
 
En cambio, en los estudios de Arends et al. (2012) se hizo la comparación entre 7 
diferentes formas de empaque de carbón granular, donde difiere el tamaño de 
partícula y la densidad del material. Para la primera propiedad se tiene que influye 
en la capacidad para la transferencia de electrones, dando como resultado que 
aquellas partículas de tamaño entre 0.25 y 0.5 mm obtuvieron una densidad de 
corriente máxima de 77.7 mA m-2, mientras que las partículas con tamaño mayor, 
de 1 a 5 mm, dieron una densidad de corriente de 25.2 mA m-2. 
 
De acuerdo con los estudios que el mismo investigador realizó para la incubación 
de comunidades microbianas, también el sustrato presenta una fuerte influencia 
en el tipo de microrganismos que se desarrollan, debido a que los microrganismos 
prefieren adherirse a las superficies con imperfecciones, siendo el material que 
más colonias microbianas desarrolló, el grafito en presentación de gránulos, con 
diámetro de 1-5mm, mientras que el grafito en presentación de perlas fue el que 
tuvo menor desarrollo de comunidades microbianas. 
 
23 
2.3. Características físicas del tezontle y del grafito 
 
2.3.1. Tezontle 
 
El tezontle5 es una roca volcánica ampliamente utilizada como sustrato en 
humedales artificiales en México. Presenta una proporción variable de porosidad 
interna, que incluye al volumen de poros cerrados, que no están conectados con 
los poros externos y son los espacios que no pueden ser ocupados por el agua y, 
por lo tanto, no intervienen en la relación agua-aire del sustrato. La ventaja de este 
tipo de porosidad es que facilita su manejo con respecto al traslado, cribado y 
llenado de contenedores al disminuir la densidad aparente del tezontle 
(Rodríguez-Díaz et al., 2013). 
 
Es un material considerado como inerte, con valores de pH cercanos a la 
neutralidad, baja capacidad de intercambio iónico, buena aireación y con 
capacidad de retención de humedad que es dependiente del diámetro de la 
partícula; adicionalmente no contiene sustancias tóxicas y tiene buena estabilidad 
física. Esto quiere decir que sus propiedades físicas como son la porosidad o su 
densidad tienen una velocidad de disgregación y descomposición del material muy 
lenta. Se reporta que las densidades aparente y real del tezontle aumentan 
conforme disminuye el tamaño de partícula; mientras que el espacio poroso total 
se incrementa con el aumento del tamaño de partícula (Trejo-Téllez et al., 2013). 
Su conductividad eléctrica es de 1.5 S/m. 
 
2.3.2. Grafito 
 
El grafito es un carbono puro que cristaliza en láminas hexagonales. 
Comercialmente puede ser encontrado en múltiples presentaciones que van desde 
barras, tubos, geles, telas, placas, polvo, escamas, cinta, fieltros y gránulos. En las 
 
5 Tezontle es una palabra náhuatl que significa piedra ligera como los cabellos, de tetl = piedra y 
tzontli: cabellera o cabellos (Cabrera, 2002) 
24 
celdas de combustible, la forma de grafito empleada se basa en la facilidad de su 
manejo, en su costo y en la función que ejercerán; por ejemplo, debido a que 
como sustrato se requiere de grandes áreas que favorezcan la transferencia de 
electrones, es mejor emplear polvo o gránulos cuya área superficial sea mayor a la 
que se puede obtener de los tubos o las escamas. Para los electrodos se hacen 
de fieltro o fibras debido a la facilidad de ser manipulados y conectados a las 
terminales eléctricas, en el caso del fieltro, se puede hacer cortes que cubran toda 
el área del reactor. Es insoluble en álcalis, ácidos puros o diluidos y en cloro 
calientes. Las propiedades que lo hacen un buen medio de empaque para este 
tipo de reactores que simulan un humedal artificial es el hecho de ser un inhibidor 
de la corrosión, es incombustible, químicamente inerte, buen conductor y 
antimagnético (Brunssen, 2015). 
 
Su valor de densidad se encuentra entre 2.09 a 2.23 g / cm3, siendo los valores 
más altos para las formas de grafito con mayor dureza (Entegris, 2013). La 
porosidadsuele estar entre 0.7-53%. Igualmente, dependiendo de la dureza del 
grafito utilizado tiene una conductividad eléctrica de 3000 S/m (Azo Materials, 
2015). 
2.4. Electrodos de grafito 
 
Logan et al. (2007) mencionan que para mejorar la generación de electricidad 
usando microorganismos en una CCM, se requiere de materiales conductivos 
eléctricamente, no corrosivos; que tengan un área específica alta y una estructura 
abierta para evitar un bio-ensuciamiento; es decir, que no sean finos con 
porosidades bajas. Estos autores emplearon fibras de grafito como ánodo en una 
CCM donde se alcanzó una densidad de corriente de 73 W/m3 de volumen de 
líquido en la celda. El mismo autor posteriormente probó este electrodo en una 
celda alimentada con agua residual con la cual se lograron alcanzar 1430 mW/m2 
contra 600 mW/m2 generados con un electrodo plano de carbón. 
 
25 
En los estudios de Dumas et al. (2008), se hizo la comparación de un ánodo de 
grafito y uno de acero inoxidable en una CCM marina. El primero suministró una 
densidad de corriente de 0.10 W/m2 mientras que el de acero inoxidable 
suministró 0.02 W/m2. Estos resultados indican que el grafito fue mejor debido a 
que esta diferencia se debe a que los microorganismos son capaces de formar 
biopelículas sobre las superficies del electrodo y oxidar la materia orgánica usando 
el electrodo como un aceptor directo de electrones, sin la presencia de algún 
mediador principal. 
 
El fieltro de grafito es el material más usado para este tipo de dispositivos. Esto se 
debe a su bajo precio comparado con otro tipo de materiales para electrodos como 
son los de titanio o platino. Además, el fieltro de grafito cubre 3 puntos importantes 
para ser considerado un bio-electrodo: 1) tener buena bio-compatibilidad para 
soportar el desarrollo microbiano, 2) tener una conductividad eléctrica alta y, 3) ser 
electroquímicamente inerte (Heijne et al., 2008). 
 
26 
CAPÍTULO 3 
 
METODOLOGÍA 
 
3.1. Diseño y determinación de los componentes de los reactores 
 
3.1.1. Diseño experimental 
 
Se desean estudiar dos o más factores, donde los tratamientos se forman por la 
combinación de los diferentes niveles de cada uno de los factores. Por lo tanto, se 
escoge el diseño de método experimental factorial, con el cual se puede seguir 
dicho estudio. Este tipo de diseño tiene ventajas y desventajas, entre las que se 
encuentran los siguientes (URU, 2015): 
 
Ventajas 
 
1. Todas las unidades experimentales intervienen en la determinación de los 
efectos principales y de los efectos de interacción de los factores, por el 
número de repeticiones es elevado para estos casos. 
 
2. El número de grados de libertad para el error experimental es alto, 
comparándolo con los grados de libertad de los experimentos simples de 
los mismos factores, lo que contribuye a disminuir la varianza del error 
experimental, aumentado por este motivo la precisión del experimento. 
 
Desventajas 
 
1. El análisis estadístico es más complicado que en los experimentos simples 
y la interpretación de los resultados se hace más difícil a medida de que 
aumenta el número de factores y niveles por factor de experimento. 
27 
Existen dos tipos de factores, los cuantitativos cuyos niveles son cantidades 
numéricas y los cualitativos donde sus niveles son procedimientos, cualidades o 
atributos. En este diseño experimental se consideró como factor cualitativo, si 
existe o no especie vegetal. 
 
Para llevar a cabo la interacción y, por lo tanto, la determinación del número de 
tratamientos a realizar, se tomó en consideración el modelo de diseño factorial 
completo 2K por tener dos medios de empaque, teniendo en consideración que los 
factores K son que posean o no una especie vegetal. Por tanto, el número de 
tratamientos será igual a 22=4 tratamientos. 
 
3.1.2. Diseño físico 
 
Para el requerimiento de las dimensiones que garantizarían la remoción de 
materia orgánica se tiene la siguiente ecuación, obtenida del Manual de diseño de 
plantas de tratamiento de agua residual municipal (WEF, 2010): 
 
 
 
donde: 
Asf= área del humedal subsuperficial, ha; 
q= flujo, m3/d; 
Ci= concentración de DBO del influente, mg/L; 
Ce= concentración de DBO del efluente, mg/L; 
kt = coeficiente de reacción de primer orden, d-1; 
d= profundidad media, m; 
n= huecos drenables, fracción; y 
10 000 = conversión de metros cuadrados a hectáreas. 
 
28 
Se calcula el coeficiente de reacción de primer orden (kt) a partir de la siguiente 
ecuación: 
 
 
donde: 
k20= constante de reacción a 20°C 
T= temperatura promedio de operación, 18°C 
θ= Coeficiente de temperatura 
 
 
 
 
Teniendo como parámetros de referencia para los humedales de flujo 
subsuperficial vertical (WEF, 2010), los siguientes valores: 
 
Ci=160mg/L 
Ce=25mg/L 
n= 0.7 
k20 =0.678/d 
θ=1.06 
q=0.001325m3/d 
d=0.30m 
 
Por lo tanto el área a utilizar es: 
 
 
 
29 
 
 
 
 
 
Considerando que la forma del reactor será un cilindro, se tiene que el diámetro 
del reactor se calcula de la siguiente manera: 
 
Área de un círculo 
 
Despejando r: 
 
 
 
 
 
 
El valor obtenido para el radio del reactor, 7 cm, convertido a pulgadas ya que la 
adquisición se hace comercialmente y los proveedores usan el sistema inglés, 
proporciona un diámetro de 5.5 pulgadas. Para construir el reactor se utilizó tubo 
de PVC y, dado que para tubo de PVC, esa medida no existe comercialmente, se 
decidió utilizar tubo de 6 pulgadas de diámetro. Por lo tanto, el reactor tendrá las 
medidas señaladas en la Figura 3. 
 
30 
 
Fig. 3. Dimensiones de los reactores experimentales 
 
3.1.3. Composición de los reactores 
 
La composición (Tabla 1) de cada uno de los reactores del sistema de estudio, se 
hizo considerando un blanco por cada diseño de celda, por lo cual uno debería 
poseer especie vegetal y otro no. 
 
Tabla 1. Composición de los reactores de estudio 
No. Clave Especie vegetal Soporte 
1 GR No Grafito 
2 PGR Si Grafito 
3 TZ No Tezontle 
4 PTZ Si Tezontle 
 
La especie vegetal empleada fue Phragmites australis, coloquialmente conocida 
como carrizo. Su selección se basó en el hecho de que tienen un rizoma extenso, 
cuyo crecimiento se da de manera vertical y horizontal (Figs. 4a y 4b). Esto 
permite que se tengan brotes verticales nuevos y, a la vez, que éstos tengan la 
fuerza suficiente para alcanzar su altura máxima que llega a ser de 6 m con un 
diámetro de tallo de 4 a 10 mm (Mal y Narine, 2003). Lo anterior es un factor 
31 
importante debido a que se requiere tener contacto del rizoma con el ánodo para 
facilitar la transferencia de electrones después de la oxidación de la materia 
orgánica presente en el medio. Las plantas utilizadas fueron obtenidas de brotes 
de tallos extraídos con anterioridad de un humedal instalado en el Vivero Forestal 
de Coyoacán (Delegación Coyoacán, México D.F., México). De igual manera es 
importante recalcar que los tallos muertos de P. australis generalmente toman un 
tiempo largo para degradarse y proveen un valor limitado de materia orgánica y 
nutrientes al sistema, aunque el material de la planta muerta tiene la propiedad de 
ser un amortiguador ligero, reduciendo los efectos ácidos que pudieran 
presentarse a causa de la degradación de la materia orgánica de otras plantas 
presentes. La temperatura óptima de crecimiento para esta especie vegetal se 
encuentra entre 20 y 30°C (Mal y Narine, 2003). Estas propiedades deben 
considerarse para la implementación a escala real de un humedal artificial, así 
como su comportamiento a escala de laboratorio. 
 
 
Figs. 4a y b: 4a. Muestra de rizoma horizontal con raíces finas y presencia de 
brotes nuevos y 4b. Muestra de rizoma vertical con raíces gruesas. Especie 
vegetal: Phragmites australis 
 
Para cumplir con las especificaciones de una CCMV y un humedal artificial, el 
reactor (Fig.5a y 5b)está compuesto por las siguientes partes: dos electrodos con 
10 cm de separación entre ellos: ánodo (A) y cátodo (C) hechos con fieltro de 
grafito de 6mm de espesor (Luken Tecnología Química, S.A. de C.V., México); el 
fieltro se conectó a un cable de cobre de calibre no.12 (AWG), como colector de 
32 
corriente (CC), que a su vez estuvo conectado al sistema automático de registro 
de datos. Se tuvo un punto de muestreo (PM) donde se tomaba el volumen 
necesario de agua (muestra del efluente) para realizar la determinación de la 
demanda química de oxígeno de cada reactor, como seguimiento de la calidad del 
agua. Finalmente, se tiene la especie vegetal (EV). Más adelante se describe el 
funcionamiento del sistema de registro automático de los parámetros de pH, 
redox, temperatura y voltaje en circuito abierto de los reactores. 
 
 
Figs. 5a y b: 5a. Componentes del reactor de estudio, 5b. Imagen isométrica del 
reactor 
 
3.2. Determinación de parámetros físicos de los sustratos 
(densidad, porosidad y conductividad hidráulica) 
 
Los parámetros físicos determinados fueron: densidad, porosidad y conductividad 
hidráulica (DOF, 2000). Para hacer comparables los resultados obtenidos, fue 
necesario someter al tezontle previamente a un cribado con una malla de 3mm de 
apertura. Esto se hizo con el sobrante del tezontle esterilizado. 
 
33 
3.2.1. Densidad 
 
Para conocer mejor las características del medio de empaque se emplearon dos 
metodologías para determinar la densidad real y la densidad aparente. 
 
-Densidad real 
 
Se usó la técnica de gravimetría utilizando un picnómetro de 10mL (Ibáñez-
Asensio et al., 2004), donde por diferencia de volúmenes con los espacios porosos 
tapados, es posible conocer los valores de densidad del medio de empaque. 
 
Las ecuaciones empleadas fueron las siguientes: 
 
 
 
 
 
 
 
donde: 
 
ρsuelo= densidad del suelo, g/cm3; 
Ms= masa del suelo, g; 
Vs= volumen del suelo, cm3; 
Mp= masa del picnómetro vacío, g; 
Ma= masa del agregado, g; 
Mw= masa del agua en el picnómetro, g; y 
Mw1= masa de agua en el picnómetro, después de introducir el agregado, g; 
34 
 
La metodología completa se aprecia en el Anexo A.I.I. 
 
Fig. 6. Uso del picnómetro para la determinación de la densidad real de los 
medios de empaque 
 
-Densidad aparente 
 
Para la densidad aparente se utilizó el método de gravimetría empleando una 
probeta (Cuevas-González et al., 2012). Es importante que el tamaño de partícula 
sea el mismo para evitar interferencias en las mediciones. Las ecuaciones 
empleadas fueron las siguientes: 
 
 
 
 
 
 
35 
donde: 
 
ms = masa del suelo, g; 
mA = masa del agua, g; 
P = masa probeta seca, g; 
P+S+A = masa de probeta, suelo y agua a la marca de aforo, g; 
P+S = masa de la probeta con suelo, g; 
Va = volumen de agua, cm3; 
Vs = volumen del suelo, g; 
ρA = densidad aparente, g/cm3; 
Vd = volumen de aforo de la probeta, cm3; y 
ρagua = densidad del agua, temperatura ambiente, g/cm3. 
 
La metodología completa se aprecia en el Anexo A.I.II. 
 
 
Fig. 7. Uso de probeta para la determinación de la densidad aparente de los 
medios de empaque 
36 
3.2.2. Porosidad 
 
Se utilizaron los datos determinados para la densidad aparente por el método de 
gravimetría empleando una probeta (Cuevas-González et al., 2012). La ecuación 
empleada fue la siguiente: 
 
donde: 
 
f = porosidad, %; 
Vd = volumen de aforo de la probeta, cm3; y 
Va = volumen de agua, cm3. 
 
3.2.3. Conductividad hidráulica 
 
La conductividad hidráulica es una medida de la habilidad de un medio poroso 
para permitir el paso del agua y es un parámetro esencial para solucionar 
problemas agrícolas, hidrológicos y ambientales relacionados con el movimiento 
del agua a través de suelo y estratos subsuperficiales. Es una propiedad muy 
variable y dependiente de la estructura del suelo, de la textura y de las 
características del sistema poroso (diámetro y tortuosidad). 
La ley de Darcy expresa que el flujo de agua en un medio poroso, homogéneo e 
isotrópico es proporcional a la conductividad del medio poroso o conductividad 
hidráulica (K) y una fuerza conductora o gradiente hidráulico. Darcy midió el 
volumen de agua por unidad de tiempo a través de una columna de arena 
saturada de longitud (L) y área (A) cuando existía una diferencia de presión 
hidrostática (h) entre dos puntos (L). La Ec. (15) expresa lo que se mencionó 
anteriormente (Quezada, 2014). 
 
 
37 
donde: 
 
Q = caudal (L3 T -1) 
K = conductividad hidráulica (LT-1) 
A = área (L2) 
h = altura de agua (L) 
L = largo de la muestra de suelo (L) 
 
A nivel de laboratorio es posible verificar la ley Darcy utilizando un permeámetro 
de carga constante, un instrumento muy simple, que consiste en un cilindro que 
contiene una muestra de suelo no disturbada sobre la cual se instala otro cilindro 
del mismo diámetro, donde se mantiene una carga de agua constante. Una vez 
saturada la muestra y estabilizado el nivel de agua, se colecta el volumen de agua 
que percola en un determinado tiempo, se mide con una probeta y se expresa 
como caudal. 
 
En el Laboratorio 301 de la Facultad de Química de la UNAM no se contaba con el 
equipo para realizar esta medición por lo cual considerando la información 
anterior, se diseñó un dispositivo especial con dos filtros superpuestos y un cople 
de PVC para hacer las mediciones, tomando en cuenta la distancia y el tamaño 
del área empacada (Fig. 8). Se lograron determinar los valores de conductividad 
hidráulica para ambos medios de empaque, para el tezontle y para el grafito. Fue 
importante tamizar el material del área empacada, para que ambos tuvieran el 
mismo tamaño de partícula, con el fin de que los resultados fueran comparables y 
determinar la influencia que tiene esta característica con el desempeño en la 
generación de electricidad y la remoción de materia orgánica de los reactores que 
simulan un humedal artificial. La metodología completa se encuentra en el Anexo 
A.I.III. 
38 
 
Fig. 8. Dispositivo para la determinación de la conductividad hidráulica 
 
3.3. Preparación del material de soporte para los reactores 
 
3.3.1. Grafito 
 
El grafito se adquirió granulado, con un tamaño de partícula de 3 mm. El único 
tratamiento previo que se le aplicó fue el tamizado con una malla de abertura de 2 
mm para reducir la cantidad de grafito fino presente. Se observó que de la 
cantidad total tamizada, alrededor del 10% fue separado como grafito en polvo fino 
(Fig. 9a y 9b). 
 
 
Figs. 9a y 9b: Proceso de tamizado del grafito en polvo para la reducción del polvo 
fino. 9a. Grafito granulado con diámetro mayor a 1 mm, 9b. Grafito en polvo fino 
menor a 1 mm de diámetro 
39 
3.3.2. Tezontle 
 
El tezontle se sometió a un proceso de esterilización para disminuir posibles 
interferencias en los análisis de la demanda química de oxígeno y/o en la 
generación eléctrica, por la posible presencia de materia orgánica ajena al sistema 
experimental. Los pasos a seguir fueron: 
 
1. Lavado del tezontle 
 
Durante esta etapa, el tezontle primeramente se lavó por secciones de máximo 
500 g con agua de la llave hasta que no presentó coloración naranja en ella y 
hasta que no se apreciaron más sólidos suspendidos como restos de raíces u 
hojas. Este procedimiento requirió entre seis o siete enjuagues. Posteriormente, se 
hizo un último lavado con agua destilada. A continuación se presentan las 
imágenes del procedimiento (Figs. 10a- 10c). 
 
 
Figs. 10a-c. Proceso de lavado del tezontle: el agua no debe mostrar coloración 
naranja o materia orgánica suspendida 
 
2. Esterilización del tezontle 
 
Para este propósito, se utilizó la autoclave Tuttanauer 3150EL (EE.UU.), se 
programó un ciclo automático cuya temperatura de esterilización fue de 134°C 
40 
durante una hora. Posteriormente, se esperó a que el material se enfriara